Silnik termoakustyczny typu Stirlinga osiągnął 49% granicy Carnota, co jest rekordem dla maszyny, której jedyną częścią roboczą jest słup gazu drgający pod wpływem dźwięku (Tijani i Spoelstra, Journal of Applied Physics 2011). Ta liczba wieńczy wspinaczkę, która zaczęła się, gdy Los Alamos pokazało w 1999 roku, że silnik bez ruchomych części może zamienić 30% ciepła na moc akustyczną, przekraczając zakres od 0,10 do 0,25 wcześniejszych silników bez ruchomych części (Backhaus i Swift, Nature 1999). Generatory zbudowane na tej samej fizyce dostarczają dziś 15,0 kW energii elektrycznej (Chen i in., Cell Reports Physical Science 2024), a kriochłodziarka z rurą pulsacyjną, krewna tej technologii, utrzymuje detektory w temperaturze 58 K na satelicie NASA od ponad 17 lat (strona NASA JPL AIRS Thermal System). Zebraliśmy dane z prac Los Alamos National Laboratory w Nature i JASA, z Energy Research Centre of the Netherlands, Chińskiej Akademii Nauk, Uniwersytetu Zhejiang, NIST, NASA i JPL oraz z recenzowanych badań w Applied Energy, Energy, Cryogenics i Scientific Reports. Te same pola akustyczne o dużej amplitudzie, które tu przenoszą ciepło, unoszą też krople w powietrzu, co śledzimy w naszych statystykach lewitacji akustycznej.
Dwa pojęcia przewijają się przez cały tekst. Procent sprawności Carnota porównuje rzeczywistą maszynę z teoretycznym pułapem: sprawność Carnota to największa praca, jaką jakikolwiek silnik może uzyskać z ciepła płynącego między daną temperaturą źródła gorącego i zimnego, więc silnik na poziomie 41% sprawności Carnota wykorzystuje 41% tego, na co fizyka pozwala przy tych temperaturach. Fala stojąca a fala bieżąca opisuje sposób, w jaki porusza się dźwięk: w urządzeniu z falą stojącą fala odbija się tam i z powrotem w prostej rurze, a gaz wymienia ciepło ze ścianami z opóźnieniem, co marnuje energię; w urządzeniu z falą bieżącą fala krąży w pętli przez drobną metalową siatkę (regenerator), więc gaz przechodzi niemal idealny cykl Stirlinga i traci znacznie mniej.
TL;DR
- Silnik termoakustyczny typu Stirlinga osiągnął 49% sprawności Carnota, co jest rekordem tej technologii (Tijani i Spoelstra, Journal of Applied Physics 2011).
- Silnik z falą bieżącą z Los Alamos zamieniał 30% ciepła na moc akustyczną (41% sprawności Carnota) przy 710 W, o ponad 50% lepiej niż wcześniejsze konstrukcje z falą stojącą (Backhaus i Swift, JASA 2000).
- Hybrydowy termoakustyczny generator elektryczny dostarczył 15,0 kW, ze sprawnością szczytową 39,2% przy 11,1 kW (Chen i in., Cell Reports Physical Science 2024).
- Trzystopniowy generator z falą bieżącą wytworzył 4,69 kW przy sprawności cieplno-elektrycznej 15,6% (Bi i in., Applied Energy 2017).
- Wielostopniowy silnik pętlowy zaczął drgać przy różnicy temperatur wynoszącej zaledwie 17 °C (Jin i in., Scientific Reports 2017).
- Chłodziarka termoakustyczna napędzana ciepłem osiągnęła COP 1,12 przy mocy chłodzenia 2,53 kW, czyli 2,7 raza więcej niż poprzedni rekord (Xiao i in., Cell Reports Physical Science 2024).
- Koncentryczna chłodziarka termoakustyczna typu Stirlinga osiągnęła 25% sprawności Carnota i -54 °C (Tijani i Spoelstra, Cryogenics 2008).
- Chłodziarki z rurą pulsacyjną osiągnęły 24% sprawności Carnota przy 80 K oraz temperatury tak niskie jak 2 K (Radebaugh, NIST 2003).
- Detektory MIRI w teleskopie Webb pracują nominalnie w okolicy 6,2 K, chłodzone trzystopniowym wstępnym chłodzeniem rurą pulsacyjną i pętlą Joule’a-Thomsona (strona NASA Webb Cryocooler 2024).
- Konwencjonalne magnesy MRI zawierają około 1.500 do 2.000 litrów ciekłego helu, a konstrukcje hermetyczne potrzebują zaledwie 7 lub 0,7 litra (Manso Jimeno i in., przegląd magnesów MRI 2022).
1. Sprawność zamiany ciepła na dźwięk: jak blisko Carnota są silniki
Silnik jest sercem każdego układu termoakustycznego: ciepło wchodzi z jednego końca porowatego rdzenia, a moc akustyczna wychodzi. Wynik z Los Alamos z 1999 roku, sprawność cieplna 30% czyli 41% sprawności Carnota, umieścił silnik bez ruchomych części w zakresie maszyn głównego nurtu: ta sama publikacja w Nature oceniała silniki spalinowe na 0,25 do 0,40, a tłokowe silniki Stirlinga na 0,20 do 0,38 (Backhaus i Swift, Nature 1999). Szczegółowe badanie, które po niej nastąpiło, pokazało kompromis, z jakim każdy konstruktor mierzy się do dziś: przy dążeniu do maksymalnej mocy (890 W) sprawność spada do 0,22 (Backhaus i Swift, JASA 2000).
Od tego czasu pułap przesuwał się powoli. Holenderski silnik na poziomie 49% sprawności Carnota (Tijani i Spoelstra, Journal of Applied Physics 2011) pozostaje najczęściej cytowanym rekordem, a nowsze prace koncentrują się na skali: czterostopniowy wielopętlowy silnik z 2025 roku wytworzył 4 × 2.100 W mocy akustycznej, a jego konstruktorzy przewidują 60 kW przy pełnym ciśnieniu projektowym i temperaturze ogrzewania (Yu i in., Energy 2025). Pytanie nie brzmi już, czy dźwięk potrafi sprawnie przenosić ciepło, lecz czy ta sprawność przetrwa skalowanie.
| Metryka | Wartość | Źródło |
|---|---|---|
| Sprawność cieplna termoakustycznego silnika Stirlinga z Los Alamos w punkcie największej sprawności | 0,30 (30%), co odpowiada 41% sprawności Carnota | Backhaus i Swift, JASA 2000 |
| Moc akustyczna w tym punkcie największej sprawności | 710 W | Backhaus i Swift, JASA 2000 |
| Maksymalna moc akustyczna tego samego silnika i jego sprawność w tym punkcie | 890 W przy sprawności 0,22 | Backhaus i Swift, JASA 2000 |
| Wzrost wydajności tego silnika z falą bieżącą w porównaniu z wcześniejszymi silnikami z falą stojącą | Ponad 50% | Backhaus i Swift, JASA 2000 |
| Zakres sprawności wcześniejszych silników cieplnych bez ruchomych części | 0,10 do 0,25 | Backhaus i Swift, Nature 1999 |
| Rekordowa sprawność termoakustycznego silnika typu Stirlinga, jako udział sprawności Carnota | 49% | Tijani i Spoelstra, Journal of Applied Physics 2011 |
| Silnik kaskadowy (1 stopień z falą stojącą plus 2 stopnie z falą bieżącą): moc akustyczna i sprawność | Do 2 kW przy 20% | Gardner i Swift, JASA 2003 |
| Czterostopniowy wielopętlowy silnik (2025): sprawność wyjściowej mocy akustycznej w eksperymentach | 16,15%, przy mocy akustycznej 4 × 2.100 W | Yu i in., Energy 2025 |
Uwaga kontekstowa: autorzy silnika kaskadowego spodziewali się, że rozwinięcie ich konstrukcji powinno dać od 35% do 40% sprawności Carnota (Gardner i Swift, JASA 2003). Najnowsze dostępne dane dla rekordu pojedynczego silnika: Tijani i Spoelstra, 2011. Projektowanie rezonatora i impedancji to także podstawowe narzędzia metamateriałów akustycznych, drugiej dziedziny, w której inżynierowie kształtują pola akustyczne, zamiast je tłumić.
2. Generatory cieplno-elektryczne: od watów do 15 kilowatów
Zamiana mocy akustycznej na energię elektryczną dodaje drugą stratę, alternator, więc wartości sprawności cieplno-elektrycznej zawsze są niższe niż sprawności zamiany ciepła na dźwięk. Generator Los Alamos i Northrop Grumman z 2004 roku zamieniał 18% ciepła na energię elektryczną, wobec 7% w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych używanych wówczas w statkach kosmicznych (ScienceDaily, relacja o Los Alamos National Laboratory, 2004). Silnik wewnątrz tego generatora pracował na poziomie 35,7% sprawności Carnota (Yu, Jaworski i Backhaus, Proc. IMechE Part A 2010, opisujący Backhaus i in.).
Następnie chińskie grupy podniosły poziom mocy do kilowatów. Generator z falą bieżącą klasy 1 kW osiągnął sprawność szczytową 19,8% (Wu i in., Applied Energy 2014), maszyna trzystopniowa dostarczyła 4,69 kW (Bi i in., Applied Energy 2017), a konstrukcja hybrydowa ze sprężyną gazową umieszczoną za silnikiem osiągnęła 15,0 kW (Chen i in., Cell Reports Physical Science 2024). Sprawność szczytowa hybrydy, 39,2%, to liczba wyróżniająca się, ale używa ona tłoka, więc nie jest czystą maszyną bez ruchomych części.
| Metryka | Wartość | Źródło |
|---|---|---|
| Termoakustyczny generator z falą bieżącą dla statków kosmicznych: udział ciepła zamienianego na energię elektryczną w porównaniu z radioizotopowymi generatorami termoelektrycznymi | 18% wobec 7% | ScienceDaily / Los Alamos National Laboratory, 2004 |
| Generator z falą bieżącą klasy 1 kW: maksymalna moc elektryczna i sprawność przy tej mocy | 1.043 W przy 17,7% | Wu i in., Applied Energy 2014 |
| Ten sam generator: maksymalna sprawność cieplno-elektryczna i moc w tym punkcie (4,0 MPa, ogrzewanie 650 °C) | 19,8% przy 970 W | Wu i in., Applied Energy 2014 |
| Generator z falą bieżącą dopasowany akustycznie (hel przy 3,16 MPa): maksymalna moc i najlepsza sprawność | 750,4 W; 0,163 | Wang i in., Energy 2016 |
| Trzystopniowy generator z falą bieżącą (hel 6 MPa, ogrzewanie 650 °C): maksymalna moc i sprawność | 4,69 kW przy 15,6% | Bi i in., Applied Energy 2017 |
| Ten sam trzystopniowy generator: maksymalna sprawność i moc w tym punkcie | 18,4% przy 3,46 kW | Bi i in., Applied Energy 2017 |
| Generator hybrydowy ze sprężyną gazową umieszczoną za silnikiem: maksymalna moc elektryczna | 15,0 kW | Chen i in., Cell Reports Physical Science 2024 |
| Ten sam generator hybrydowy: sprawność szczytowa i moc w tym punkcie | 39,2% przy 11,1 kW | Chen i in., Cell Reports Physical Science 2024 |
Uwaga o wartości odstającej: nowe ścieżki konwersji są wciąż na wczesnym etapie. System z 2026 roku, który umieszcza ciekły metal w rezonatorze silnika typu Backhausa i Swifta, osiągnął sprawność cieplną 11,0%, ale tylko 13,5 W średniej mocy elektrycznej przy temperaturze ogrzewania 885 K (Chen i in., The Innovation Energy 2026).
3. Temperatura rozruchu i niskotemperaturowe ciepło odpadowe
Różnica temperatur rozruchu to najmniejsza różnica temperatur na rdzeniu silnika, przy której gaz zaczyna drgać samoistnie; poniżej niej silnik nic nie wytwarza. To ona decyduje, czy maszyna może pracować na spalinach z fabryki, czy tylko na płomieniu. Uniwersytet Zhejiang uruchomił wielostopniowy silnik pętlowy przy różnicy wynoszącej zaledwie 17 °C, z ogrzewaniem do 29 °C przy zimnym końcu 12 °C (Jin i in., Scientific Reports 2017). Haczyk tkwi w mocy wyjściowej: trzystopniowy generator z tej samej publikacji osiągnął maksymalną sprawność cieplno-elektryczną 1,03% przy 94 °C, około 5% sprawności Carnota.
Tani koniec skali pokazuje ten sam kompromis. Prototyp wiejskiego generatora zbudowany z głośnika w roli alternatora ruszał przy różnicy temperatur rozruchu około 210 °C i dostarczał 5,17 W z 800 W ciepła, czyli ogółem 0,65% (Yu, Jaworski i Backhaus, Proc. IMechE Part A 2010). Niskotemperaturowa termoakustyka może ruszyć niemal wszędzie; sprawienie, by się opłacała, to otwarty problem.
| Metryka | Wartość | Źródło |
|---|---|---|
| Najniższa różnica temperatur rozruchu asymetrycznego wielostopniowego silnika pętlowego (CO2, 1 lub 1,5 MPa) | 17 °C (ogrzewanie 29 °C, zimny koniec 12 °C) | Jin i in., Scientific Reports 2017 |
| Maksymalna sprawność cieplno-elektryczna trzystopniowego generatora niskotemperaturowego i temperatura ogrzewania | 1,03% przy 94 °C (około 5% sprawności Carnota) | Jin i in., Scientific Reports 2017 |
| Temperatura ogrzewania zwykle potrzebna silnikom termoakustycznym typu Stirlinga przy porównywalnym stosunku ciśnień | Powyżej 600 °C | Jin i in., Scientific Reports 2017 |
| Wielostopniowy silnik pętlowy de Bloka: sprawność względem Carnota przy źródle ciepła 99 °C | 38% | Jin i in., Scientific Reports 2017 (cytując de Bloka) |
| Silnik z falą bieżącą de Bloka: różnica temperatur rozruchu | 65 K | Yu, Jaworski i Backhaus, Proc. IMechE Part A 2010 |
| Tani wiejski generator: różnica temperatur rozruchu i energia elektryczna z 800 W ciepła | Około 210 °C; 5,17 W (0,65% ogółem) | Yu, Jaworski i Backhaus, Proc. IMechE Part A 2010 |
| Generator z pętlą rurową wypełnioną powietrzem i komercyjnym głośnikiem audio w roli alternatora: moc elektryczna | 11,6 W | Yu, Jaworski i Backhaus, Applied Energy 2012 |
Uwaga kontekstowa: jeden system wykorzystujący ciepło odpadowe z 2025 roku podaje 170 W energii elektrycznej plus 74,73 W chłodzenia w temperaturze -10 °C ze źródła ciepła o temperaturze 500 °C, przy sprawności cieplno-elektrycznej 29,22% i ogólnej sprawności egzergetycznej 54,01% według definicji jego autorów (Umar i in., Sustainable Energy Technologies and Assessments 2025). Autorzy twierdzą też, że pracuje on w temperaturach o 100 do 200 °C niższych niż konwencjonalne systemy termoakustyczne. Dlaczego ta wartość sprawności nie jest bezpośrednio porównywalna z sekcją 2, wyjaśnia uwaga w części o danych. Najnowsze dostępne dane dla rekordu rozruchu przy 17 °C: Jin i in., 2017. Prototyp z głośnikiem o mocy 11,6 W opisano w Applied Energy 2012.
4. Chłodziarki termoakustyczne: COP i procent sprawności Carnota
Gdy odwrócić pracę silnika, dźwięk pompuje ciepło: to jest chłodziarka termoakustyczna. Jej sprawność podaje się jako COP (współczynnik wydajności chłodniczej), czyli chłód uzyskany na jednostkę dostarczonej energii, albo jako COP względem Carnota. Pierwsza generacja chłodziarek mieściła się między 8,5% a 19% sprawności Carnota, od okrętowej jednostki SETAC marynarki USA po urządzenie z Penn State ukończone w 2005 roku (Kajurek, Rusowicz i Grzebielec, SN Applied Sciences 2019). Koncentryczna chłodziarka z falą bieżącą na poziomie 25% sprawności Carnota niemal podwoiła najlepszy wynik dla fali stojącej (Tijani i Spoelstra, Cryogenics 2008).
Najnowsze liczby pochodzą z maszyn napędzanych ciepłem, w których silnik termoakustyczny napędza chłodziarkę bezpośrednio, bez żadnej energii elektrycznej. Konstrukcja z obejściem osiągnęła COP 1,12 przy źródle ciepła 450 °C, co według jej autorów przewyższa chillery adsorpcyjne i jednostopniowe chillery absorpcyjne (Xiao i in., Cell Reports Physical Science 2024). To ujęcie ma znaczenie: konkurentem nie jest domowa elektryczna jednostka sprężarkowa (zobacz nasze statystyki niskoczęstotliwościowego hałasu skraplacza pompy ciepła), lecz chiller zasilany ciepłem, który już działa na cieple odpadowym.
| Metryka | Wartość | Źródło |
|---|---|---|
| Chłodziarka Hoflera (1986): sprawność względem Carnota przy obciążeniu cieplnym 3 W | 12% sprawności Carnota | Kajurek i in., SN Applied Sciences 2019 (przegląd) |
| Chłodziarka termoakustyczna STAR: moc chłodnicza przy spadku temperatury o 50 °C i sprawność względna | 3 W; 16% | Kajurek i in., SN Applied Sciences 2019 (przegląd) |
| Okrętowy chiller SETAC marynarki USA: moc chłodnicza i sprawność względem Carnota | Prawie 420 W; 8,5% | Kajurek i in., SN Applied Sciences 2019 (przegląd) |
| Urządzenie z Penn State (hel-argon przy 30 bar): sprawność względem Carnota | 19% | Kajurek i in., SN Applied Sciences 2019 (przegląd) |
| Koncentryczna chłodziarka termoakustyczna typu Stirlinga: COP względem Carnota i najniższa temperatura | 25%; -54 °C | Tijani i Spoelstra, Cryogenics 2008 |
| Chłodziarka napędzana ciepłem w konfiguracji z obejściem: COP i moc chłodnicza (ciepło 450 °C, otoczenie 35 °C, chłodzenie 7 °C) | COP 1,12; 2,53 kW | Xiao i in., Cell Reports Physical Science 2024 |
| Ta sama maszyna: COP w porównaniu z poprzednią najlepszą termoakustyczną chłodziarką napędzaną ciepłem | 2,7 raza wyższy | Xiao i in., Cell Reports Physical Science 2024 |
| Kolejna chłodziarka napędzana ciepłem: COP i moc chłodnicza przy ogrzewaniu 550 °C | COP 1,34; 2,37 kW | Xiao i in., The Innovation Energy 2024 |
Uwaga o wartości odstającej: wartość 1,34 podano jako wzrost COP o 240% w stosunku do najlepszego wcześniejszego wyniku układów napędzanych ciepłem bez nowej konfiguracji (Xiao i in., The Innovation Energy 2024). Zespół badawczy przewiduje też potencjalny COP równy 2 powyżej 800 °C, ale to symulacja, a nie pomiar (TechXplore, relacja o Chińskiej Akademii Nauk, 2024).
5. Kriochłodziarki z rurą pulsacyjną: sprawność, najniższe temperatury i wersje napędzane ciepłem
Kriochłodziarka z rurą pulsacyjną to chłodziarka na temperatury kriogeniczne (zakres głębokiego zimna używany do skraplania gazów), której zimny koniec nie ma ruchomych części: drgający słup gazu i mały otwór robią to, co normalnie robiłby tłok. To komercyjna historia sukcesu termodynamiki przepływów oscylacyjnych. Rury pulsacyjne osiągnęły 24% sprawności Carnota przy 80 K i temperatury tak niskie jak 2 K (Radebaugh, NIST, Pulse Tube Cryocoolers 2003).
Koszt schodzenia do niższych temperatur jest brutalny. Komercyjna jednostka dwustopniowa dawała 0,5 W przy 4,2 K za około 5,5 kW mocy wejściowej sprężarki; rachunek (5.500 W / 0,5 W) daje mniej więcej 11.000 W energii elektrycznej na wat chłodzenia. Wersje napędzane ciepłem całkowicie pomijają elektryczną sprężarkę: pętlowy system z 2025 roku z czterema silnikami termoakustycznymi osiągnął 46,6 K, rekord dla systemu 100 Hz, i odzyskiwał ciepło odpadowe w czterech stopniach kaskady (Zhang i in., Energy 2025).
| Metryka | Wartość | Źródło |
|---|---|---|
| Najwyższa sprawność rury pulsacyjnej przy 80 K, jako udział sprawności Carnota | 24% | Radebaugh, NIST 2003 |
| Najniższa temperatura osiągnięta przez chłodziarki z rurą pulsacyjną | Około 2 K | Radebaugh, NIST 2003 |
| Komercyjna dwustopniowa rura pulsacyjna 4 K: chłodzenie przy 4,2 K i moc wejściowa sprężarki | 0,5 W (lub 4,8 L/dobę ciekłego helu); około 5,5 kW | Radebaugh, NIST 2003 |
| Drgania rur pulsacyjnych 4 K w porównaniu z chłodziarkami Gifford-McMahon | Ponad rząd wielkości mniejsze | Radebaugh, NIST 2003 |
| Rura pulsacyjna napędzana termoakustycznie dla gazu ziemnego: moc chłodnicza i udział gazu spalanego, by skroplić resztę | Około 2 kW przy 120 K; około jedna trzecia | Radebaugh, NIST 2003 |
| Rura pulsacyjna NIST 120 Hz: sprawność (odniesiona do mocy PV na wejściu) i chłodzenie netto przy 80 K | Około 22,6% sprawności Carnota; 3,35 W | NIST, 120Hz Pulse Tube Cryocooler 2007 |
| Chłodziarka z rurą pulsacyjną napędzana ciepłem z czterema silnikami termoakustycznymi: najniższa temperatura i chłodzenie przy 74,031 K | 46,6 K; 3 W | Zhang i in., Energy 2025 |
| Ten sam system, czterostopniowy kaskadowy odzysk ciepła odpadowego: sprawność odzysku i moc chłodnicza przy 75,5 K | 0,66; 2,35 W | Zhang i in., Energy 2025 |
Uwaga kontekstowa: chłodziarka NIST 120 Hz schłodziła się od temperatury otoczenia do 80 K w 5,5 minuty (NIST, 2007). Liczby dotyczące skraplacza gazu ziemnego (około 600 L/dobę) opisują jednostkę demonstracyjną, którą NIST i Los Alamos po raz pierwszy pokazały w 1990 roku; najnowsze dostępne dane: Radebaugh, 2003.
6. Rury pulsacyjne w kosmosie i w skanerach MRI
Kosmos to miejsce, w którym zimny koniec bez ruchomych części się opłaca, bo nikt nie może serwisować chłodziarki na orbicie. Instrument AIRS na satelicie Aqua agencji NASA niósł pierwsze chłodziarki z rurą pulsacyjną użyte w kosmosie, utrzymując detektory w temperaturze 58 K, z zadeklarowaną żywotnością ponad 17 lat (NASA JPL, AIRS Thermal System). Instrument MIRI teleskopu Webb rozwinął ten pomysł do trzech stopni rury pulsacyjnej, wstępnie schładzających hel do około 14 K, zanim stopień Joule’a-Thomsona sprowadzi detektory do około 6,2 K (NASA, strona Webb Cryocooler 2024).
Na Ziemi te same chłodziarki zmieniły ekonomię MRI. Magnesy chłodzone kąpielą zawierają od 1.500 do 2.000 litrów ciekłego helu, a nawet z kriochłodziarką z rekondensacją wciąż potrzebują 500 litrów lub więcej (Manso Jimeno, Vaughan i Geethanath, przegląd magnesów MRI 2022). Hermetyczne konstrukcje chłodzone przewodzeniem ograniczają to do litrów jednocyfrowych, choć przegląd z 2025 roku zauważa, że dane o zawartości helu w dużej mierze pochodzą od producentów (Alenezi i in., Cureus 2025).
| Metryka | Wartość | Źródło |
|---|---|---|
| Kriochłodziarka AIRS z rurą pulsacyjną: moc chłodnicza netto i moc wejściowa na wat chłodzenia przy 55 K | 1,5 W; około 62 W/W | Strona NASA JPL, AIRS Thermal System |
| Masa układu chłodziarki AIRS (oba redundantne zespoły plus konstrukcja) i zadeklarowana żywotność | 37 kg; ponad 17 lat w kosmosie | Strona NASA JPL, AIRS Thermal System |
| Temperatura detektora MIRI w Webbie: wymagane maksimum i wartość nominalna | Poniżej 7 K (nie więcej niż 6,7 K); około 6,2 K | Strona NASA, Webb Cryocooler 2024 |
| Wstępna chłodziarka MIRI w Webbie: stopnie rury pulsacyjnej w porównaniu z systemami poprzedniej generacji i moc chłodnicza | 3 wobec 2 stopni; około 1/4 W | Strona NASA, Webb Cryocooler 2024 |
| Elektronika kriochłodziarki MIRI: żywotność projektowa, masa i moc dostarczana w sposób ciągły | Ponad 10 lat; 9 kg; 360 W | Harvey i in., NASA NTRS 2013 |
| Kriochłodziarki z rurą pulsacyjną zbudowane przez Northrop Grumman: łączny czas na orbicie (twierdzenie samego producenta) | Ponad 300 lat | Strona Northrop Grumman, Cryocoolers |
| Ciekły hel w konwencjonalnym magnesie MRI chłodzonym kąpielą w porównaniu z magnesem o zerowym odparowaniu z kriochłodziarką z rekondensacją | 1.500 do 2.000 L wobec 500 L lub więcej | Manso Jimeno i in., przegląd magnesów MRI 2022 |
| Średnia żywotność głowicy chłodzącej MRI: system nowy i odnowiony | 4 do 5 lat wobec 3 do 4 lat | Manso Jimeno i in., przegląd magnesów MRI 2022 |
Uwaga kontekstowa: ten sam przegląd magnesów MRI podaje, że hermetyczne układy NbTi zawierają 7 L (1,5 T) i 0,7 L (0,55 T) ciekłego helu. Northrop Grumman podaje też niezawodność powyżej 90% przy 87.600 godzin (10 lat) dla swoich chłodziarek kosmicznych (Northrop Grumman, Cryocoolers); są to twierdzenia producenta, a nie niezależne audyty. Szczegóły elektroniki MIRI: NASA NTRS 2013.
Podsumowanie: sprawność silników i chłodziarek termoakustycznych w liczbach
| Metryka | Wartość | Źródło |
|---|---|---|
| Rekordowa sprawność silnika termoakustycznego względem Carnota | 49% | Tijani i Spoelstra, Journal of Applied Physics 2011 |
| Termoakustyczny silnik Stirlinga z Los Alamos: sprawność cieplna i udział sprawności Carnota | 30%; 41% | Backhaus i Swift, JASA 2000 |
| Silniki spalinowe wobec tłokowych silników Stirlinga, zakresy sprawności przytaczane w 1999 roku | 0,25 do 0,40 wobec 0,20 do 0,38 | Backhaus i Swift, Nature 1999 |
| Moc akustyczna silnika kaskadowego przy sprawności 20% | Do 2 kW | Gardner i Swift, JASA 2003 |
| Czterostopniowy wielopętlowy silnik: przewidywana moc akustyczna w warunkach projektowych | 60 kW | Yu i in., Energy 2025 |
| Generator termoakustyczny z 2004 roku wobec radioizotopowych generatorów termoelektrycznych | 18% wobec 7% ciepła zamienionego na energię elektryczną | ScienceDaily / Los Alamos National Laboratory, 2004 |
| Najwyższa sprawność generatora z falą bieżącą klasy 1 kW | 19,8% przy 970 W | Wu i in., Applied Energy 2014 |
| Maksymalna moc elektryczna generatora trzystopniowego | 4,69 kW przy 15,6% | Bi i in., Applied Energy 2017 |
| Maksymalna moc wyjściowa i sprawność szczytowa generatora hybrydowego | 15,0 kW; 39,2% przy 11,1 kW | Chen i in., Cell Reports Physical Science 2024 |
| Sprawność cieplna termoakustycznego generatora MHD z ciekłym metalem | 11,0% przy 13,5 W | Chen i in., The Innovation Energy 2026 |
| Najniższa zgłoszona różnica temperatur rozruchu | 17 °C | Jin i in., Scientific Reports 2017 |
| Typowe ogrzewanie potrzebne silnikom termoakustycznym typu Stirlinga | Powyżej 600 °C | Jin i in., Scientific Reports 2017 |
| Wczesne chillery z falą stojącą, sprawność względem Carnota | 8,5% (SETAC) do 19% (Penn State) | Kajurek i in., SN Applied Sciences 2019 |
| Koncentryczna chłodziarka termoakustyczna typu Stirlinga | 25% sprawności Carnota, -54 °C | Tijani i Spoelstra, Cryogenics 2008 |
| COP termoakustycznych chłodziarek napędzanych ciepłem | 1,12 przy 450 °C; 1,34 przy 550 °C | Xiao i in., Cell Reports Physical Science 2024; The Innovation Energy 2024 |
| Najlepsza sprawność rury pulsacyjnej przy 80 K | 24% sprawności Carnota | Radebaugh, NIST 2003 |
| Moc wejściowa komercyjnej rury pulsacyjnej 4 K dla 0,5 W przy 4,2 K | Około 5,5 kW | Radebaugh, NIST 2003 |
| Rekordowo niska temperatura rury pulsacyjnej napędzanej ciepłem przy 100 Hz | 46,6 K | Zhang i in., Energy 2025 |
| Zadeklarowana żywotność chłodziarki AIRS z rurą pulsacyjną | Ponad 17 lat w kosmosie | Strona NASA JPL, AIRS Thermal System |
| Ciekły hel w MRI: konstrukcja konwencjonalna wobec hermetycznej 1,5 T | 1.500 do 2.000 L wobec 7 L | Manso Jimeno i in., przegląd magnesów MRI 2022 |
Metodologia i źródła
- Backhaus, S. i Swift, G. W., “A thermoacoustic Stirling heat engine”, Nature 399, 1999: rekord streszczenia; relacja prasowa w ScienceDaily 1999.
- Backhaus, S. i Swift, G. W., “A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study”, JASA 2000: doi.org/10.1121/1.429343.
- Gardner, D. L. i Swift, G. W., “A cascade thermoacoustic engine”, JASA 2003: doi.org/10.1121/1.1612483.
- Tijani, M. E. H. i Spoelstra, S., “A high performance thermoacoustic engine”, Journal of Applied Physics 2011: doi.org/10.1063/1.3658872.
- Tijani, M. E. H. i Spoelstra, S., “Study of a coaxial thermoacoustic-Stirling cooler”, Cryogenics 2008: rekord IIR FRIDOC.
- Backhaus, Tward i Petach, termoakustyczny generator elektryczny z falą bieżącą, Applied Physics Letters 2004, według relacji ScienceDaily 2004.
- Yu, Jaworski i Backhaus, Proc. IMechE Part A 2010: repozytorium White Rose; oraz Applied Energy 2012: doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.04.046.
- Wu i in., Applied Energy 2014: IDEAS/RePEc. Wang i in., Energy 2016: IDEAS/RePEc. Bi i in., Applied Energy 2017: rekord AGRIS.
- Chen i in., Cell Reports Physical Science 2024: doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101835. Chen i in., The Innovation Energy 2026: strona czasopisma.
- Yu i in., Energy 2025: IDEAS/RePEc. Zhang i in., Energy 2025: IDEAS/RePEc. Umar i in., Sustainable Energy Technologies and Assessments 2025: portal badawczy BIT.
- Jin i in., Scientific Reports 2017: PMC5550454.
- Kajurek, Rusowicz i Grzebielec, SN Applied Sciences 2019 (przegląd wartości odniesienia dla chłodziarek): Springer.
- Xiao i in., Cell Reports Physical Science 2024: doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101815; Xiao i in., The Innovation Energy 2024: rekord repozytorium KIT; relacja prasowa w TechXplore 2024.
- Radebaugh, R., “Pulse Tube Cryocoolers”, NIST 2003: PDF z trc.nist.gov. NIST, “120Hz Pulse Tube Cryocooler for Fast Cooldown to 50K”, 2007: nist.gov.
- NASA JPL, AIRS Thermal System; NASA, Webb Cryocooler; Harvey i in., NASA NTRS 2013; Northrop Grumman, Cryocoolers (twierdzenia producenta).
- Manso Jimeno, Vaughan i Geethanath, “Superconducting magnet designs and MRI accessibility: a review”, 2022: arXiv:2205.08918. Alenezi i in., Cureus 2025: PMC12701844.
- Uwaga o danych: definicje sprawności są różne i nie są wymienne. Sprawność zamiany ciepła na dźwięk (sekcja 1) nie obejmuje strat alternatora; sprawność cieplno-elektryczna (sekcja 2) je obejmuje; “sprawność odzysku” w chłodziarkach napędzanych ciepłem (sekcja 5) definiuje każdy autor osobno. Sprawność cieplno-elektryczna 29,22% w sekcji 3 pochodzi z układu łączącego produkcję energii i chłodzenie, a jej streszczenie nie podaje dokładnej podstawy obliczeń, więc nie należy jej zestawiać w rankingu z rekordami z sekcji 2. W 2024 roku pojawiły się dwa rekordy COP od tej samej grupy z Chińskiej Akademii Nauk (1,12 i 1,34) przy różnych temperaturach ogrzewania (450 °C i 550 °C); oba to porównania z wcześniejszymi pracami zgłoszone przez samych autorów. Wiele głównych rekordów silników jest starych: silnik na poziomie 49% sprawności Carnota (2011), rozruch przy 17 °C (2017) i sprawność rury pulsacyjnej przy 80 K (2003) pozostają najnowszymi dostępnymi danymi, jakie zdołaliśmy zweryfikować. Publikacja w Cryogenics z 2026 roku podaje chłodzenie do 77 K ze sprawnością odzysku 45,8% w trzystopniowej chłodziarce kaskadowej, ale jej pełne streszczenie było niedostępne, więc nie została uwzględniona. Dane o zawartości helu w hermetycznych magnesach MRI w dużej mierze pochodzą od producentów, jak zauważa sam przegląd z Cureus z 2025 roku.
Ostatnia aktualizacja: 25 października 2026 roku. Aktualizujemy to zestawienie kwartalnie, a kolejnego odświeżenia spodziewamy się po opublikowaniu materiałów konferencji International Cryocooler Conference 2026 oraz kolejnych numerów Applied Energy i Energy poświęconych generatorom termoakustycznym.