Maschinen können der Hitze nicht immer standhalten – zwei Ingenieure erklären die Physik, die dahinter steckt, wie Hitzewellen alles bedrohen, vom Auto bis zum Computer

Nicht nur Menschen müssen kühl bleiben, besonders im Sommer rekordverdächtige Hitzewellen.Viele Maschinen, darunter Mobiltelefone, Rechenzentren, Autos und Flugzeuge, werden weniger effizient und verschlechtern sich schneller extreme Hitze.Auch Maschinen erzeugen ihre eigene Wärme, wodurch die Temperaturen um sie herum noch heißer werden können.

Wir sind Ingenieurforscher die studieren Wie Maschinen mit Wärme umgehen und wie man ansonsten verschwendete Wärme effektiv zurückgewinnen und wiederverwenden kann.Extreme Hitze kann sich auf verschiedene Arten auf Maschinen auswirken.

Keine Maschine ist perfekt effizient – ​​alle Maschinen unterliegen während des Betriebs einer gewissen inneren Reibung.Diese Reibung führt dazu, dass Maschinen etwas Wärme abgeben. Je heißer es draußen ist, desto heißer wird die Maschine.

Mobiltelefone und ähnliche Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien Auch bei Betrieb in Klimazonen über 95 Grad Fahrenheit (35 Grad Celsius) funktioniert das Gerät nicht mehr, um eine Überhitzung und eine erhöhte Belastung der Elektronik zu vermeiden.

Kühldesigns mit innovativem Einsatz Phasenwechselflüssigkeiten kann helfen, Maschinen kühl zu halten, aber in den meisten Fällen wird die Wärme letztendlich trotzdem an die Luft abgegeben.Je heißer die Luft ist, desto schwieriger ist es, eine Maschine kühl genug zu halten, damit sie effizient funktioniert.

Und je näher Maschinen beieinander stehen, desto mehr Verlustwärme wird in die Umgebung abgegeben.

Verformende Materialien

Höhere Temperaturen, sei es durch das Wetter oder die übermäßige Wärmeabstrahlung von Maschinen, können dazu führen, dass sich Materialien in Maschinen verformen.Um dies zu verstehen, überlegen Sie, was Temperatur auf molekularer Ebene bedeutet.

Bei die molekulare Skala, Die Temperatur ist ein Maß dafür, wie stark Moleküle schwingen.Je heißer es also ist, desto stärker vibrieren die Moleküle, aus denen alles besteht, von der Luft über den Boden bis hin zu Materialien in Maschinen.

Wenn die Temperatur steigt und die Moleküle stärker vibrieren, vergrößert sich der durchschnittliche Abstand zwischen ihnen, was dazu führt, dass sich die meisten Materialien bei Erwärmung ausdehnen.Straßen sind ein Ort, an dem man dies beobachten kann – heißer Beton dehnt sich aus, verengt sich und irgendwann Risse.Dieses Phänomen kann auch bei Maschinen auftreten, und thermische Spannungen sind nur der Anfang des Problems.

Reiseverzögerungen und Sicherheitsrisiken

Hohe Temperaturen können auch das Verhalten der Öle im Motor Ihres Autos verändern und zu möglichen Motorausfällen führen.Wenn es beispielsweise durch eine Hitzewelle 30 °F (16,7 °C) heißer als normal wird, kann sich die Viskosität – oder Dicke – typischer Automotorenöle ändern um den Faktor drei.

Flüssigkeiten wie Motoröle werden bei Erwärmung dünner. Wenn es also zu heiß wird, ist das Öl möglicherweise nicht dick genug, um Motorteile richtig zu schmieren und vor erhöhtem Verschleiß zu schützen.

Darüber hinaus führt ein heißer Tag dazu, dass sich die Luft in Ihren Reifen ausdehnt und der Reifendruck steigt, was zu einem Anstieg führen kann erhöhen den Verschleiß und die Rutschgefahr.

Flugzeuge sind auch nicht dafür ausgelegt, bei extremen Temperaturen zu starten.Wenn es draußen heißer wird, dehnt sich die Luft aus und nimmt mehr Platz ein als zuvor, wodurch sie dünner oder weniger dicht wird.Das Verringerung der Luftdichte verringert das Gewicht, das das Flugzeug während des Flugs tragen kann, was zu erheblichen Schäden führen kann Reiseverzögerungen oder Flugausfälle.

Batterieverschlechterung

Im Allgemeinen besteht die in Geräten wie Mobiltelefonen, Personalcomputern und Rechenzentren enthaltene Elektronik aus vielen Arten von Materialien, die alle unterschiedlich auf Temperaturänderungen reagieren.Diese Materialien sind alle auf engstem Raum nebeneinander angeordnet.Wenn die Temperatur steigt, verformen sich verschiedene Arten von Materialien unterschiedlich, was möglicherweise dazu führt vorzeitiger Verschleiß und Ausfall.

Lithium-Ionen-Batterien in Autos und allgemeiner Elektronik verschlechtern sich bei höheren Betriebstemperaturen schneller.Dies liegt an höheren Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen innerhalb der Batterie, einschließlich Korrosionsreaktionen, die das Lithium in der Batterie erschöpfen.Dieser Vorgang erschöpft die Speicherkapazität.Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass Elektrofahrzeuge können etwa 20 % ihrer Reichweite verlieren wenn es anhaltendem Wetter mit einer Temperatur von 90 Grad Fahrenheit ausgesetzt ist.

Rechenzentren, das sind Gebäude voller Server, die Daten speichern, leiten erhebliche Mengen Wärme ab, um ihre Komponenten kühl zu halten.An sehr heißen Tagen müssen die Lüfter mehr arbeiten, um sicherzustellen, dass die Chips nicht überhitzen.In manchen Fällen reichen leistungsstarke Lüfter nicht aus, um die Elektronik zu kühlen.

Um die Zentren kühl zu halten, wird die von außen einströmende trockene Luft oft zunächst durch eine feuchte Unterlage geleitet.Das Wasser aus dem Pad verdunstet in die Luft und absorbiert Wärme, wodurch die Luft abgekühlt wird.Diese als Verdunstungskühlung bezeichnete Technik ist normalerweise eine wirtschaftliche und effektive Möglichkeit um die Chips auf einer angemessenen Betriebstemperatur zu halten.

Allerdings kann die Verdunstungskühlung eine erforderlich sein erhebliche Menge Wasser.Dieses Problem ist in Regionen mit Wasserknappheit problematisch.Wasser zum Kühlen kann dem bereits hinzugefügt werden intensiver Ressourcen-Fußabdruck mit Rechenzentren verbunden.

Probleme mit den Klimaanlagen

Klimaanlagen haben Schwierigkeiten, effektiv zu funktionieren, wenn es draußen heißer wird – genau dann, wenn sie am meisten gebraucht werden.An heißen Tagen müssen die Kompressoren der Klimaanlage mehr leisten Senden Sie die Wärme aus den Häusern draußen, was wiederum den Stromverbrauch überproportional erhöht und Gesamtstrombedarf.

In Texas beispielsweise führt jeder Anstieg um 1,8 Grad F (1 Grad C) zu einem Anstieg von etwa 4 % des Strombedarfs.

Hitze führt in wärmeren Ländern zu einem erstaunlichen Anstieg des Strombedarfs um 50 % im Sommer, was eine ernsthafte Bedrohung darstellt Stromknappheit oder Stromausfälle, verbunden mit höheren Treibhausgasemissionen.

So verhindern Sie Hitzeschäden

Hitzewellen und steigende Temperaturen rund um den Globus stellen kurz- und langfristig erhebliche Probleme für Menschen und Maschinen dar.Glücklicherweise gibt es Dinge, die Sie tun können, um den Schaden zu minimieren.

Stellen Sie zunächst sicher, dass Ihre Maschinen in einem klimatisierten, gut isolierter Raum oder vor direkter Sonneneinstrahlung schützen.

Zweitens sollten Sie erwägen, energieintensive Geräte wie Klimaanlagen zu verwenden oder Ihr Elektrofahrzeug außerhalb der Hauptverkehrszeiten aufzuladen, wenn weniger Menschen Strom verbrauchen.Dies kann dazu beitragen, lokale Stromengpässe zu vermeiden.

Wärme wiederverwenden

Wissenschaftler und Ingenieure entwickeln Möglichkeiten, die enormen Mengen an Wärme, die von Maschinen abgegeben werden, zu nutzen und zu recyceln.Ein einfaches Beispiel ist die Nutzung der Abwärme von Rechenzentren Wasser zu erhitzen.

Abwärme könnte auch andere Arten von Klimaanlagen antreiben, wie z Absorptionskältemaschinen, das Wärme tatsächlich als Energie nutzen kann, um Kühler durch eine Reihe chemischer und wärmeübertragender Prozesse zu unterstützen.

In beiden Fällen stammt die zum Heizen oder Kühlen benötigte Energie aus Wärme, die ansonsten verschwendet würde.Tatsächlich könnte die Abwärme von Kraftwerken hypothetisch 27 % davon decken Anforderungen an die Klimatisierung von Wohngebäuden, was den Gesamtenergieverbrauch und die CO2-Emissionen reduzieren würde.

Extreme Hitze kann jeden Aspekt des modernen Lebens beeinträchtigen und Hitzewellen werden auch in den kommenden Jahren nicht verschwinden.Es gibt jedoch Möglichkeiten, extreme Hitze zu nutzen und für uns nutzbar zu machen.