Un solido può fungere da mezzo per le interazioni tra calore e onde sonore proprio come un fluido per motori termoacustici e frigoriferi, con il risultato di macchine senza perdite che possono rimanere in funzione più a lungo.

I sistemi che presentano perdite hanno limitato il modo in cui gli ingegneri progettano dispositivi termoacustici che si basano sull'interazione tra oscillazioni di temperatura e onde sonore. I ricercatori della Purdue e dell'Università di Notre Dame hanno dimostrato per la prima volta che la termoacustica potrebbe teoricamente verificarsi sia nei solidi che nei fluidi, presentando recentemente i loro risultati al 175esimo Meeting della Acoustical Society of America.

"Anche se ancora nella sua infanzia, questa tecnologia potrebbe essere particolarmente efficace in ambienti difficili, come lo spazio esterno, dove sono liberamente disponibili forti variazioni di temperatura e quando i guasti del sistema metterebbero in pericolo la missione complessiva, " ha detto Fabio Semprelotti, Purdue assistente professore di ingegneria meccanica.

La termoacustica è un fenomeno consolidato e ben studiato nei fluidi, sia come gas che liquidi, da secoli. "Applicare calore a un fluido racchiuso in un condotto o in una cavità provocherà la generazione spontanea di onde sonore che si propagano nel fluido stesso, " disse Carlo Scalo, un assistente professore di ingegneria meccanica alla Purdue. "Ciò si traduce nei cosiddetti flauti cantanti, o macchine termoacustiche."

Sebbene i fluidi siano stati storicamente utilizzati per questi sistemi, il passaggio in più per costruire qualcosa per contenere i fluidi e prevenire le perdite è ingombrante. Ciò ha portato i ricercatori a considerare i solidi come un sostituto.

"Le proprietà dei solidi sono più controllabili, che potrebbe renderli potenzialmente più adatti a queste applicazioni rispetto ai fluidi. Dovevamo prima verificare che questo fenomeno potesse esistere teoricamente in mezzi solidi, " ha detto haitiano Hao, Assistente di ricerca laureato Purdue in ingegneria meccanica.

La termoacustica consente di convertire il calore disperso o le vibrazioni meccaniche in altre utili forme di energia. Per i frigoriferi, le onde sonore generano un gradiente di temperatura caldo e freddo. Il movimento vibrante rende le zone fredde più fredde e le zone calde più calde.

I motori utilizzano un processo opposto:un gradiente di temperatura fornito dal calore di scarto porta a vibrazioni meccaniche.

La termoacustica allo stato solido inizialmente sembrava improbabile, poiché i solidi sono un po' più "stabili" dei fluidi e tendono a dissipare l'energia meccanica più facilmente, rendendo più difficile per il calore generare onde sonore.

I ricercatori hanno sviluppato un modello teorico che dimostra che un'asta di metallo sottile può esibire vibrazioni meccaniche autosufficienti se viene applicato periodicamente un gradiente di temperatura ai segmenti dell'asta. Questa dissipazione di energia meccanica indesiderata bilanciata e ha mostrato che, come fluidi, i solidi si contraggono quando si raffreddano e si espandono quando si riscaldano. Se il solido si contrae meno quando si raffredda e si espande di più quando riscaldato, il moto risultante aumenterà nel tempo.

I solidi possono anche essere ingegnerizzati per ottenere le proprietà necessarie per ottenere elevate prestazioni termoacustiche. "I fluidi non ci permettono di farlo, "Ha detto Semperlotti.

Differenze di temperatura estreme nello spazio sarebbero perfette per generare vibrazioni meccaniche che vengono poi convertite in energia elettrica sui veicoli spaziali.

"Un dispositivo a stato solido utilizzerebbe il sole come fonte di calore e le radiazioni verso lo spazio profondo come fonte di freddo, Ha detto Semperlotti. "Questi sistemi potrebbero funzionare a tempo indeterminato, dato che non hanno alcuna parte in movimento o fluido che potrebbe fuoriuscire."

I ricercatori devono ancora completare una configurazione sperimentale per convalidare questa idea progettuale e comprendere meglio la termoacustica dei solidi scoperta attraverso calcoli e modelli matematici.

"Le possibili applicazioni e le prestazioni di questi dispositivi sono ancora nel regno della pura speculazione a questo punto, Ha detto Semperlotti. "Ma il fenomeno esiste e ha il potenziale per aprire alcune notevoli direzioni per la progettazione di dispositivi termoacustici".