Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США разработали новый способ нагрева и охлаждения, использующий электрически заряженные атомы или молекулы, известные как ионы, для управления переходами между твердым и жидким состояниями. Метод, названный «ионокалорическим охлаждением», описан в исследовании, опубликованном в журнале Science.
Идея основана на знакомом примере. Когда соль рассыпают на дорогах перед зимним штормом, она изменяет температуру, при которой образуется лед. Новый метод работал аналогичным образом, используя ионы для изменения температуры плавления материала. Это создавало контролируемый фазовый переход — процесс перехода материала между твердым и жидким состояниями. Когда материал плавился, он поглощал тепло из окружающей среды. Когда он снова становился твердым, он выделял это тепло. Это позволяло перемещать тепло из одного места в другое без использования обычных хладагентов-газов.
Исследование решило давнюю проблему в области охлаждения: разработку систем охлаждения, которые были бы энергоэффективными и при этом использовали хладагенты с минимальным воздействием на глобальное потепление или без него. Большинство холодильников и кондиционеров используют парокомпрессионное охлаждение, где газ-хладагент сжимается и расширяется в непрерывном цикле, чтобы поглощать тепло в одном месте и выделять его в другом. Многие из этих систем используют гидрофторуглероды (HFC), синтетические газы-хладагенты с высоким потенциалом глобального потепления (GWP) — мерой того, сколько тепла парниковый газ может удерживать в атмосфере по сравнению с углекислым газом. Ионокалорическая система вместо этого использовала только твердые и жидкие материалы, устраняя необходимость в газах-хладагентах.
«Ландшафт хладагентов — это нерешенная проблема: никому еще не удалось разработать альтернативное решение, которое охлаждает, работает эффективно, безопасно и не вредит окружающей среде», — сказал Дрю Лилли, аспирант-исследователь Berkeley Lab и кандидат наук в Калифорнийском университете в Беркли, который руководил исследованием. «Мы считаем, что ионокалорический цикл потенциально может достичь всех этих целей при правильной реализации».
На отопление и охлаждение приходится более половины энергии, потребляемой в домах, поэтому улучшения в этой области важны для снижения энергопотребления и выбросов парниковых газов. Замена существующих хладагентов также является частью международных климатических усилий, включая Кигалийскую поправку, которая была принята 145 сторонами, включая США, в октябре 2022 года. В соответствии с соглашением страны обязались сократить производство и потребление HFC как минимум на 80% в течение следующих 25 лет.
Ионокалорическое охлаждение — одна из нескольких калорических технологий охлаждения, находящихся в разработке. Эти системы работают, заставляя материалы поглощать или выделять тепло при воздействии внешней силы. Некоторые используют магнитные поля, другие — электрические. Однако эти подходы часто требуют относительно сильных приложенных полей, обеспечивая при этом меньшие изменения температуры и более низкую эффективность. По словам исследователей, ионокалорическое охлаждение может обеспечить большие изменения температуры и энтропии при использовании гораздо более слабых полей. В термодинамике энтропия описывает, как энергия распределяется внутри системы, и играет важную роль в перемещении тепла. Поскольку рабочий материал во время процесса становится жидкостью, его также можно перекачивать через систему, что облегчает передачу тепла по сравнению со многими твердотельными технологиями охлаждения.
Лилли и Рави Прашер, научный сотрудник отдела энергетических технологий Berkeley Lab и адъюнкт-профессор машиностроения Калифорнийского университета в Беркли, разработали теорию, лежащую в основе ионокалорического цикла. Их расчеты показали, что метод может соответствовать или даже превосходить эффективность обычных систем охлаждения на основе хладагентов.
Чтобы проверить концепцию, исследователи создали экспериментальную систему на основе ионокалорического цикла охлаждения Стирлинга — версии термодинамического цикла Стирлинга, адаптированной для перемещения тепла с использованием ионно-индуцированных фазовых переходов вместо обычных хладагентов. В системе использовалась соль йодида натрия вместе с этиленкарбонатом, органическим растворителем, обычно используемым в литий-ионных батареях. Подача небольшого электрического тока перемещала ионы через систему, изменяя температуру плавления материала. Когда материал плавился, он поглощал тепло. Когда ионы удалялись, материал затвердевал и выделял накопленное тепло.
Исследователи сообщили, что экспериментальная система достигла коэффициента производительности (COP), равного примерно 30% от теоретического предела Карно, который представляет собой максимально возможную эффективность, которую может достичь любая система охлаждения в идеальных условиях. Она также обеспечила адиабатическое изменение температуры, то есть температура материала изменилась без получения или потери тепла с окружающей средой, до 25 градусов Цельсия при приложенном напряжении около 0,22 вольта. Согласно исследованию, это изменение температуры было больше, чем те, что были продемонстрированы другими калорическими технологиями охлаждения, при работе при относительно низком напряжении.
«Существует потенциал для создания хладагентов, которые будут не просто с нулевым GWP [потенциалом глобального потепления], а с отрицательным GWP», — сказал Лилли. «Использование такого материала, как этиленкарбонат, может быть фактически углеродно-отрицательным, поскольку он производится с использованием углекислого газа в качестве сырья. Это может дать нам возможность использовать CO2 из улавливания углерода».
Прашер сказал, что команда пытается сбалансировать воздействие на окружающую среду, энергоэффективность и стоимость оборудования.
«Есть три вещи, которые мы пытаемся сбалансировать: GWP хладагента, энергоэффективность и стоимость самого оборудования», — сказал Прашер. «С первой попытки наши данные выглядят очень многообещающими по всем трем аспектам».
Хотя большинство калорических технологий обсуждались для охлаждения, исследователи заявили, что их также можно использовать для таких применений, как нагрев воды и промышленный нагрев. Команда продолжает разрабатывать прототипы для тестирования различных материалов, повышения эффективности системы и температурного диапазона, а также для определения возможности масштабирования технологии для практического использования.
«У нас есть этот совершенно новый термодинамический цикл и структура, которые объединяют элементы из разных областей, и мы показали, что это работает», — сказал Прашер. «Теперь пришло время для экспериментов, чтобы протестировать различные комбинации материалов и методов для решения инженерных задач».
Источник: Berkeley Lab, Science
Эта статья была создана с некоторой помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного репортажа. Добросовестное использование — это использование, разрешенное законом об авторском праве, которое в противном случае могло бы считаться нарушением.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
