Охлаждение представляет собой передачу тепла от системы во внешнюю среду. Для этого часто применяют хладагент, поглощающий тепло при испарении, но такое использование влечет за собой усиление парникового эффекта. В связи с этим учёные создали новый, более экологичный метод охлаждения, основанный на «ионокалорическом» эффекте — явлении, подобном тому, что происходит при добавлении соли на ледяные дороги зимой.
Методы охлаждения часто опираются на калорический эффект – теплообмен с изменением состояния участвующих материалов. В бытовых холодильниках хладагент доводят до низкого давления, чтобы он превратился из жидкости в газ и испарился, забирая при этом тепло. Хлорфторуглероды (ХФУ), опасные для окружающей среды, в начале 2000-х годов были заменены гидрофторуглеродами (ГФУ). Последние не влияют на озоновый слой, но являются мощными парниковыми газами.
В связи с этим ученые стремятся создать высокоэффективные системы охлаждения с безопасными хладагентами, воздействующими на глобальное потепление минимально. Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли разработали методику, основанную на другом изменении фазы: они обнаружили, что ионы в растворе могут управлять плавлением и затвердеванием материала, создавая ионокалорический цикл.
Эффективнее, чем имеющиеся хладагенты.
В зимний период на дорогах используют соль для понижения температуры замерзания воды и превращения льда в слякоть. Для перехода из жидкого состояния в твердое требуется более низкая температура. Поверхность кубиков льда, посыпанных солью, через несколько секунд опускается до -10 °C, тогда как кубики льда из чистой воды остаются при 0 °C.
Новый обратимый принцип охлаждения, названный «ионокалорическим», основан на свойстве теплоты сохранения или выделения при фазовых переходах материала (из твердого в жидкое и наоборот).
Разрабатываются технологии охлаждения, основанные на калорическом эффекте: магнито- и электрокалорическое охлаждение. В них используются твердые материалы, поглощающие или выделяющие тепло. Такой подход требует сильных магнитных или электрических полей с относительно низким коэффициентом полезного действия.
Ионокалорическое охлаждение уникально тем, что фазовые переходы между твердым и жидким состояниями запускаются потоком ионов из определенной соли. Применение жидкости обладает ещё одним преимуществом: материал становится «перекачиваемым», что упрощает подачу и отвод тепла из системы по сравнению с твердотельным охлаждением.
Исследователи считают, что данная технология по производительности может сравниться или превзойти эффективность существующих хладагентов в газообразном виде. Результаты теоретических и экспериментальных исследований демонстрируют большее адиабатическое изменение температуры и энтропии на единицу массы и объема, чем другие тепловые эффекты, при малых напряжениях приложенного поля. «, — пишут они в журнале Science.
Отрицательный потенциал глобального потепления
Чтобы показать работоспособность такой системы охлаждения на основе ионокалорических принципов, учёные применили йодсодержащую соль и этиленкарбонат – органический растворитель, который часто применяется в литий-ионных аккумуляторах. Движение тока через систему приводит к перемещению ионов, что меняет температуру плавления материала; когда материал расплавляется, он поглощает тепло из окружающей среды, а при удалении ионов и застывании – отдает его.
Эксперимент выявил изменение температуры на 25 градусов Цельсия при напряжении примерно в 0,22 Вольта – это увеличение температуры больше, чем показывают другие методы.
Это решение не только исключит риск утечки парниковых газов из существующих систем «сжатия паров» в атмосферу, заменив их твердыми и жидкими компонентами, но и может привести к отрицательному балансу углерода. Исследователи отмечают, что этиленкарбонат можно производить с использованием углекислого газа как исходного сырья – это интересный результат для решений по улавливанию CO2.
Теперь они хотят усовершенствовать свою Чтобы обрабатывать большие объёмы охлаждения, увеличить количество колебаний температуры, с которыми может справиться система, и повысить эффективность. Авторы надеются, что метод однажды приведет к разработке эффективных домашних систем отопления и охлаждения, которые будут потреблять меньше энергии, чем существующие системы.
«Нет успешных решений, делающих вещи холодными, работающими эффективно, безопасно и не наносящими вреда природе. Ионокалорический цикл может достичь таких результатов при верном подходе. — утверждает Дрю Лилли, научный сотрудник Лаборатории Беркли и аспирант Калифорнийского университета в Беркли.
Поиск замены существующим хладагентам сейчас считается важным шагом к достижению целей по изменению климата, изложенных в Кигальской поправке (согласованной 145 сторонами к 31 декабря 2022 года). Подписавшие это соглашение обязались сократить производство и потребление ГФУ на 80% в течение следующих 25 лет.