Добавление соли на дорогу перед зимним штормом меняется, когда образуется лед. Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) применили эту базовую концепцию для разработки нового метода нагрева и охлаждения. Техника, которую они назвали «ионокалорическим охлаждением», описана в статье , опубликованной 23 декабря в журнале Science .
Ионокалорическое охлаждение использует то, как энергия или тепло сохраняется или высвобождается, когда материал меняет свою фазу, например, превращается из твердого льда в жидкую воду . При плавлении материал поглощает тепло из окружающей среды, а при затвердевании выделяет тепло. Ионокалорический цикл вызывает это фазовое и температурное изменение за счет потока ионов (электрически заряженных атомов или молекул), которые исходят из соли.
Исследователи надеются, что однажды этот метод сможет обеспечить эффективное отопление и охлаждение, на долю которых приходится более половины энергии, используемой в домах, и помочь постепенно отказаться от существующих систем «компрессии пара», в которых в качестве хладагентов используются газы с высоким потенциалом глобального потепления. Ионокалорическое охлаждение устранит риск утечки таких газов в атмосферу, заменив их твердыми и жидкими компонентами.
«Ландшафт хладагентов — это нерешенная проблема: никому не удалось успешно разработать альтернативное решение, которое охлаждает вещи, работает эффективно, безопасно и не наносит вреда окружающей среде», — сказал Дрю Лилли, аспирант лаборатории Беркли. Кандидат наук. кандидат Калифорнийского университета в Беркли, который руководил исследованием. «Мы думаем, что ионокалорический цикл может достичь всех этих целей, если его правильно реализовать».
Поиск решения, которое заменит существующие хладагенты, имеет важное значение для достижения странами целей в области изменения климата, таких как Кигалийская поправка (принятая 145 сторонами, включая США, в октябре 2022 года). Соглашение обязывает его участников сократить производство и потребление гидрофторуглеродов (ГФУ) не менее чем на 80% в течение следующих 25 лет. ГФУ являются мощными парниковыми газами, обычно присутствующими в холодильниках и системах кондиционирования воздуха, и могут улавливать тепло в тысячи раз эффективнее, чем углекислый газ.
Новый ионокалорический цикл объединяет в своем развитии несколько других видов «калорического» охлаждения. В этих методах используются различные методы, включая магнетизм, давление, растяжение и электрические поля, для манипулирования твердыми материалами , чтобы они поглощали или выделяли тепло. Ионокалорическое охлаждение отличается использованием ионов для управления фазовыми переходами из твердого состояния в жидкое. Использование жидкости имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что материал можно перекачивать, что облегчает подачу тепла в систему или из нее — с чем проблема твердотельного охлаждения.
Лилли и соответствующий автор Рави Прашер, научный сотрудник отдела энергетических технологий лаборатории Беркли и адъюнкт-профессор машиностроения Калифорнийского университета в Беркли, изложили теорию, лежащую в основе ионокалорического цикла. Они подсчитали, что он может конкурировать или даже превзойти эффективность газообразных хладагентов, используемых сегодня в большинстве систем.
Они также продемонстрировали технику экспериментально. Лилли использовал соль, приготовленную из йода и натрия, наряду с этиленкарбонатом, обычным органическим растворителем, используемым в литий-ионных батареях.
«Существует вероятность того, что хладагенты будут иметь не только нулевой ПГП [потенциал глобального потепления], но и отрицательный ПГП», — сказал Лилли. «Использование такого материала, как этиленкарбонат, на самом деле может быть углерод-отрицательным, потому что вы производите его, используя углекислый газ в качестве исходного материала. Это может дать нам место для использования CO 2 из улавливания углерода».
Проходящий через систему ток перемещает ионы, изменяя температуру плавления материала. При плавлении материал поглощает тепло из окружающей среды, а когда ионы удаляются и материал затвердевает, отдает тепло обратно. Первый эксперимент показал изменение температуры на 25 градусов по Цельсию при использовании менее одного вольта, больший подъем температуры, чем продемонстрировали другие калорические технологии.
«Мы пытаемся сбалансировать три вещи: ПГП хладагента, энергоэффективность и стоимость самого оборудования», — сказал Прашер. «С первой попытки наши данные выглядят очень многообещающе по всем трем аспектам».
В то время как калорические методы часто обсуждаются с точки зрения их охлаждающей способности, циклы также могут быть использованы для таких приложений, как нагрев воды или промышленное отопление. Команда ionocaloric продолжает работу над прототипами, чтобы определить, как метод может масштабироваться для поддержки большого количества охлаждения , улучшения количества изменений температуры, которые может поддерживать система, и повышения эффективности.
«У нас есть совершенно новый термодинамический цикл и структура, которые объединяют элементы из разных областей, и мы показали, что они могут работать», — сказал Прашер. «Теперь пришло время для экспериментов, чтобы проверить различные комбинации материалов и технологий для решения инженерных задач».
Лилли и Прашер получили предварительный патент на ионокалорический холодильный цикл, и теперь эта технология доступна для лицензирования.
Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
