Untitled Document
Afkoelen met geluid
Thermo-akoestiek/Cora van den Berg
Foto/Maarten van Loosbroek
Een temperatuur tot zeventig graden onder nul dankzij geluidsgolven.
Dat is de laagste temperatuur die ooit bereikt is met een thermo-akoestische
koeler. Dr.ir. Hassan Tijani heeft de afgelopen jaren gewerkt
aan de optimalisatie van het thermo-akoestische apparaat, dat
niet meer dan 350 gram weegt en volgens Amerikaanse onderzoekers
het beste in zijn soort is. Het zou zelfs een milieuvriendelijke
optie zijn voor koelkasten. Deze week promoveerde Tijani op zijn
proefschrift.
Een verrassende
techniek. Dat vindt Hassan Tijani na vijf jaar promotieonderzoek
nog steeds van de thermo-akoestiek. "Het is zo'n techniek
die je pas gelooft als je het met eigen ogen gemeten hebt",
zegt hij aan de vooravond van zijn promotie over 'Loudspeaker-driven
thermo-acoustic refrigeration'. "Want wie gelooft nu dat
je met een geluidsgolf afkoeling kunt genereren?"
Tijani (38) studeerde af aan de faculteit Technische Natuurkunde
bij de groep Coöperatieve Verschijnselen in 1996. In datzelfde
jaar begon hij als AIO bij de groep Lage Temperaturen. "Het
was het begin van het Nederlandse onderzoek naar thermo-akoestische
koeling", vertelt hij. "Het is een heel jong onderzoeksgebied.
Alleen in de Verenigde Staten zijn ze er zo'n twintig jaar mee
bezig."
In de thermo-akoestiek wordt geluid gebruikt om iets op te warmen
of juist af te koelen. "Een thermo-akoestische koeler is
een eenvoudige machine", benadrukt Tijani. "Een luidspreker
is gekoppeld aan een akoestische resonator. In de
resonator zitten twee warmtewisselaars en een klein buisje met
meer dan honderd flinterdunne platen erin, de zogenoemde stack.
Het systeem is gevuld met helium. De geluidsgolven die door het
systeem worden gestuurd, zorgen er voor dat het gas comprimeert
en expandeert. Daar waar het comprimeert, wordt de temperatuur
hoger, waar het expandeert, koelt het af. Op die manier wordt
een bepaalde hoeveelheid warmte in de stack verplaatst: de ene
kant van de stack wordt kouder dan de andere. Slangen met koelwater
om de stack heen voeren de warmte af, zodat het systeem steeds
verder kan afkoelen. Op deze manier kan een temperatuur van tegen
de 200 Kelvin, zo'n 70 graden Celsius, bereikt worden."
Optimale koeler
Tijani was vijf jaar geleden de eerste onderzoeker in Nederland
op dit vakgebied. "Ik heb veel kennis moeten vergaren en
moeten proberen het te begrijpen", vertelt hij. "Mijn
doel was zelf een koelsysteem maken en optimaliseren. Veel tijd
heb ik in de werkplaats doorgebracht, om onderdelen op maat te
maken of verschillende gassen uit te proberen. Daarnaast zat ik
ook veel achter de computer om berekeningen te doen en simulaties
uit te voeren. Door allerlei parameters te variëren, heb
ik bekeken wat het beste werkt. Het was lastig genoeg om de parameters
apart te onderzoeken. Ze zijn allemaal aan elkaar gekoppeld. De
theorie achter het systeem is vrij complex, hoewel het apparaat
er zelf eenvoudig uitziet."
Eén van de grootste problemen was de speaker. Niet iedere
speaker is geschikt voor de thermo-akoestiek. Het moet er één
zijn met een grote amplitude (maximale waarde van de uitwijking
in een golf- of trilbeweging-red) die heel intensief gebruikt
kan worden. Meer dan een paar weken gaat zo'n speaker niet mee.
"In de toekomst is het waarschijnlijk beter om een soort
motor te gebruiken in plaats van een speaker", zegt Tijani.
"Maar dat moet nog helemaal onderzocht worden. De efficiëntie
van de speaker is ook een punt van aandacht. Die wordt beter naarmate
de mechanische frequentie van de luidspreker zelf de akoestische
frequentie van de resonator nadert. Tijdens mijn onderzoek is
het gelukt die mechanische resonantiefrequentie in te stellen
door het gasvolume achter de luidsprekerconus te variëren.
Hiermee werd de efficiëntie 35 procent beter", voegt
Tijani toe.
Vislijnen
Ook de stack is een probleem. Het is een soort buisje van zeven
centimeter dik en acht centimeter lang, met wel honderdvijftig
platen erin van maximaal 0,1 millimeter dikte. Die platen worden
met vislijnen bij elkaar gehouden, zodat er kanalen ontstaan van
0,15 millimeter. "Het is tijdens het onderzoek gelukt om
met de hand de kleinste stack te maken die ooit gemaakt is",
zegt Tijani niet zonder trots. "Zo hebben we voor de meeste
problemen die we tegenkwamen een oplossing gevonden. Ik heb nu
een idee hoe de optimale koeler in elkaar moet zitten."
In de Verenigde Staten is veel onderzoek naar thermo-akoestische
koeling gedaan. "Daar denken ze dat het in de toekomst koelkasten
kan vervangen", zegt Tijani. "Het systeem heeft namelijk
nogal wat voordelen. Zo is helium een milieuvriendelijk gas, als
je het vergelijkt met de CFK's in de huidige koelkasten. Het systeem
is goedkoop, omdat het een tamelijk eenvoudig apparaat is met
weinig onderdelen die weinig onderhoud vragen. Het geheel is niet
zwaar, de aluminium resonator bijvoorbeeld is maar zestig centimeter
groot en weegt niet meer dan driehonderd gram. Alles bij elkaar
is het een betrouwbaar systeem."
Het grote nadeel daarentegen is het
magere rendement ten opzichte van gangbare koeltechnieken. "Maar
die efficiëntie kan alleen maar verbeterd worden", benadrukt
Tijani. "Het is tenslotte een techniek die nog in de kinderschoenen
staat."
Marineschepen
In Amerika wordt het systeem op dit moment al toegepast bij marineschepen,
in de elektronica-industrie -om chips af te koelen- en bij de
NASA. "Daar kijken ze of ze biologische samples die mee de
ruimte ingaan koel kunnen houden", legt Tijani uit. "Maar
het zijn tot dusver alleen maar min of meer bijzondere toepassingen.
Op grote schaal moet het systeem nog helemaal uitkristalliseren."
Afgelopen april is in Nederland de eerste workshop op gebied van
thermo-akoestiek georganiseerd. "Daar waren alle grote jongens
uit de Verenigde Staten op afgekomen", vertelt Tijani. "Zij
beschouwen mijn machine als één van de beste ooit
gemaakt. Zo'n lage temperatuur is nog nooit eerder gerealiseerd
met een thermo-akoestische koeler. Tegelijk is het de lichtste
koeler, met z'n 350 gram. En de koppeling tussen
resonator en speaker is helemaal geoptimaliseerd. Wat wil je nog
meer?"
Geluid creëren
Ondanks deze sprekende resultaten dreigt het onderzoek over thermo-
akoestische koeling in Nederland niet verder te gaan. "Zo'n
onderzoek is altijd afhankelijk van financiering. En voor zover
ik weet is die er niet, jammer genoeg."
Dat is ook jammer voor de industrie, want in de thermo-akoestiek
zit veel potentieel. Er zijn heel wat varianten op de koeltechniek
denkbaar. Zo kan de techniek zodanig omgedraaid worden dat er
in plaats van een afkoeling een opwarming van de stack plaatsvindt.
In plaats van een koeler is de machine dan een warmtepomp, die
bijvoorbeeld ruimtes kan verwarmen. Ook kan de efficiëntie
van het systeem verbeterd worden door gebruik te maken van een
lopende golf in plaats van een staande golf. "Zelfs is het
mogelijk de hele techniek om te draaien", voegt Tijani toe.
"Nu gebruiken we geluid om een temperatuurverschil te creëren.
Maar je kunt met een temperatuurverschil ook geluid voortbrengen.
Als je deze twee technieken combineert, is de hele luidspreker
niet meer nodig. Dan kan je met een vlam of bijvoorbeeld met zonne-energie
geluid opwekken, dat vervolgens weer voor afkoeling zorgt. Een
machine zonder bewegende delen dus, ideaal voor de ruimtevaart."
Tijani heeft zijn proefschrift naar zo'n honderd vakgenoten
in Amerika en Japan gestuurd, in de hoop dat er iets van wordt
overgenomen. "Uitwisseling tussen onderzoekers is altijd
belangrijk. In de VS hebben ze weliswaar een voorsprong van twintig
jaar. Maar wij hebben in de afgelopen jaren een paar grote sprongen
vooruit gemaakt. Het liefst zou ik er zelf mee verder gaan. Maar
na mijn promotie houdt mijn aanstelling aan de TU/e op. Dan moet
ik werk zoeken. Ik wil in ieder geval onderzoek blijven doen.
Want wetenschap is mijn hobby en mijn vak."/.
