Ученые Национальной лаборатории Лоуренса Беркли разработали метод ионокалорического охлаждения – новый холодильный цикл, который, как они надеются, поможет постепенно отказаться от хладагентов, способствующих глобальному потеплению.
Исследователи уже давно ищут альтернативы системам охлаждения, чтобы уменьшить их негативное влияние на людей и окружающую среду. Еще в 1926 году собственный вид холодильников попытались разработать Альберт Эйнштейн и Лео Силард. К сотрудничеству ученых подтолкнуло трагическое событие в Берлине: целая семья погибла из-за отравления газами, которые просочилась в дом из-за сломанной пломбы в холодильнике.
И такие утечки происходили все чаще, поскольку люди стали покупать современные механические холодильники, которые использовали в качестве хладагента ядовитые вещества — хлорметан, аммиак или диоксид серы.
Холодильник Эйнштейна-Силарда
Эйнштейн и Силард сосредоточились на абсорбционных холодильниках, в которых вместо механического компрессора используется источник тепла (в то время пламя природного газа) для управления процессом абсорбции
Абсорбция - это химический или физический процесс впитывания одного вещества другим. При этом поглощаемое вещество полностью пропитывает поглощающее. и выделения хладагентов.
Предыдущая версия технологии была представлена в 1922 году швейцарскими изобретателями, и Силард нашел способ улучшить конструкцию, опираясь на свой опыт в термодинамике. Источник тепла в модели Эйнштейна-Силарда приводил в действие комбинацию газов и жидкостей через три взаимосвязанных контура: аммиак под давлением, бутан и воду; без потребности в электроэнергии для работы прибора и подвижных частей. С одной стороны была размещена колба с бутаном (испаритель), в которую впрыскивался аммиак. Когда вода выкипала, она получала энергию из окружающей среды, охлаждая камеру в процессе.
Ученые получили патент на изобретение, которое в 1930 году выкупила компания «Электролюкс». Однако холодильник так и не поступил в серийное производство, так как в том же году началось активное использование нетоксичного хладагента — фреона.
Хотя фреон не вредит здоровью в домашних условиях, его выбросы, как и других гидрофторуглеродов, влияют на глобальное потепление. Вот почему сейчас существует интерес к так называемым «калорическим» альтернативам охлаждения.
Озоновый слой Земли полностью “вылечится” до 2066 года, — ООН
«Калорическое» охлаждение
В калорическом охлаждении твердые материалы манипулируют магнитными, электрическими или механическими силами и заставляют их поглощать или отдавать тепло.
Например, магнитное охлаждение использует магнитокалорический эффект. Материал хладагента нагревается во время действия магнитного поля, повторно поглощая это тепло, когда магнитное поле исчезает.
Электрокалорическое и термоакустическое охлаждение – еще одни кандидаты в методы калорического охлаждения. В 2004 году магазин мороженого «Ben and Jerry» в Нью-Йорке отпраздновал День Земли, представив прототип «термоакустического холодильника», использующего звуковые волны вместо сжатия пара.
Ионокалорический цикл
В ионокалорическом методе заряженные электричеством атомы или молекулы (ионы) изменяют температуру плавления твердого материала (подобно тому, как добавление соли на дороги зимой изменяет способ образования льда). Удаление ионов позволяет материалу повторно затвердевать и поглощать это тепло.
Цель исследования состоит в том, чтобы сбалансировать потенциал глобального потепления от хладагента, энергоэффективность системы и стоимость оборудования. Первоначальные теоретические расчеты ионокалорического метода предполагали, что он будет равен или даже будет превышать эффективность современных газовых холодильников.
Далее исследователи провели эксперимент с использованием соли и этиленкарбоната, обычно содержащегося в литий-ионных батареях, и достигли изменения температуры на 25°C, на что потратили менее одного вольта. А это результат значительно возвышает ионокалорический метод, среди остальных калорических альтернатив.
После получения временного патента авторы планируют разработать прототип. В дальнейшем метод можно использовать для обогрева воды, промышленного отопления или охлаждения.
«У нас есть совершенно новый термодинамический цикл и структура, объединяющая элементы из разных отраслей, и мы показали, что это может работать. Теперь время для экспериментов, чтобы испытать различные комбинации материалов и техник для решения инженерных задач», — отмечают исследователи в статье, недавно опубликованной в журнале Science.
Источник: Arstechnica