Охлаждение - это передача тепла от системы к окружающей среде. Для этого обычно используется хладагент, который поглощает тепло при испарении, но его использование способствует парниковому эффекту. Поэтому исследователи разработали новый, более экологичный метод охлаждения, основанный на "ионокалорическом" эффекте - явлении, аналогичном тому, которое наблюдается при добавлении соли на обледенелые дороги зимой.
Методы охлаждения часто основаны на калорическом эффекте (теплообмене), при котором участвующие материалы проходят через изменение состояния. В бытовых холодильниках, например, используемый хладагент доводится до низкого давления, чтобы превратить его из жидкости в газ: он испаряется, забирая присутствующее тепло. Хлорфторуглероды (ХФУ), которые очень вредны для окружающей среды, в начале 2000-х годов были заменены гидрофторуглеродами (ГФУ). Последние не оказывают влияния на озоновый слой, но являются мощными парниковыми газами.
Поэтому ученые пытаются разработать высокоэффективные системы охлаждения с безопасными хладагентами, которые оказывают меньшее влияние на глобальное потепление. В связи с этим исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли разработали методику, основанную на другом изменении фазы: они обнаружили, что ионы в растворе можно использовать для управления плавлением и затвердеванием материала, создавая ионокалорический цикл.
Зимой принято добавлять соль на дороги, чтобы снизить температуру застывания (замерзания) воды и тем самым превратить лед в слякоть. Это означает, что для перехода из жидкого состояния в твердое, температура должна быть холоднее. Поверхность кубиков льда, покрытых поваренной солью, через несколько секунд достигает -10 °C, в то время как кубики льда из чистой воды остаются при 0 °C.
Именно этот принцип лежит в основе новой обратимой системы охлаждения, которую исследователи назвали "ионокалорическим охлаждением". Этот метод использует тот факт, что тепло сохраняется или высвобождается, когда материал меняет фазу (в данном случае из твердого состояния в жидкое и наоборот); плавление поглощает тепло из окружающей среды, а застывание высвобождает тепло.
В настоящее время разрабатываются другие технологии охлаждения, основанные на калорическом эффекте (например, магнито- или электрокалорическое охлаждение), в которых также используются твердые материалы, поглощающие или выделяющие тепло. Однако эти подходы требуют применения сильных (магнитных или электрических) полей, с относительно низким коэффициентом полезного действия.
Ионокалорическое охлаждение отличается тем, что фазовые изменения между твердым и жидким инициируются потоком ионов из определенной соли. Использование жидкости имеет дополнительное преимущество: материал является "перекачиваемым", что облегчает ввод и вывод тепла из системы, в отличие от твердотельного охлаждения.
По мнению исследователей, с точки зрения производительности эта технология может соперничать или даже превосходить эффективность нынешних газообразных хладагентов. "Теоретические и экспериментальные результаты показывают более высокое адиабатическое изменение температуры и изменение энтропии на единицу массы и объема по сравнению с другими тепловыми эффектами при низких напряженностях приложенного поля", — пишут они в журнале Science.
Чтобы продемонстрировать жизнеспособность такой ионокалорической холодильной системы, исследователи использовали соль на основе йода и натрия и этиленкарбонат - органический растворитель, обычно используемый в литий-ионных батареях. Прохождение тока через систему вызывает перемещение ионов, что изменяет температуру плавления материала; когда материал плавится, он поглощает тепло из окружающей среды, а когда ионы удаляются и материал застывает, он отдает тепло.
Эксперимент показал изменение температуры на 25 °C при напряжении около 0,22 В - более значительное повышение температуры, чем продемонстрированное другими методами.
Такой подход не только устранит риск утечки парниковых газов, используемых в нынешних системах "сжатия паров", в атмосферу, заменив их твердыми и жидкими компонентами, но даже может привести к отрицательному балансу углерода! Действительно, как отмечают исследователи, этиленкарбонат может быть произведен с использованием углекислого газа в качестве исходного сырья - интересный результат для решений по улавливанию CO2.
Теперь они хотят усовершенствовать свою методику, чтобы она могла обрабатывать большие объемы охлаждения, увеличить количество колебаний температуры, с которыми может справиться система, и повысить эффективность. Они надеются, что их метод однажды приведет к разработке эффективных домашних систем отопления и охлаждения, которые будут потреблять меньше энергии, чем существующие системы.
"Никому не удалось разработать альтернативное решение, которое делает вещи холодными, работает эффективно, безопасно и не вредит окружающей среде. Мы считаем, что ионокалорический цикл имеет потенциал для достижения всех этих целей при правильном подходе", — говорит Дрю Лилли, научный сотрудник Лаборатории Беркли и аспирант Калифорнийского университета в Беркли.
Поиск решения, которое заменит существующие хладагенты, в настоящее время считается важным для достижения целей по изменению климата, изложенных в Кигальской поправке (согласованной 145 сторонами к 31 декабря 2022 года). Стороны, подписавшие это соглашение, обязались сократить производство и потребление ГФУ по меньшей мере на 80% в течение следующих 25 лет.