С момента изобретения холодильников и кондиционеров, принцип их работы остается неизменным — специальный газ (хладагент) отводит тепло, циркулируя по теплообменнику. Со временем модифицируется лишь конструкция охладительного оборудования и изменяется газ, который применяет в качестве хладагента. До 30-х годов для этих целей использовали токсичные газы, опасные для человека, которые часто вызывали несчастные случаи. Затем их заменили фреонами, которые не вредны для здоровья, но сильно разрушают озоновый слой атмосферы. В настоящее время применяются многосоставные газы — тетрафторэтан (R134a) или изобутан (R600A). Они эффективны и менее вредны для окружающей среды, однако все равно далеки от идеала. Американские же ученые предлагают использовать принципиально новый способ охлаждения, который будет намного более энергоэффективным и менее вредным для окружающей среды. Кроме того, он может привести к удешевлению охладительного оборудования.
Американские ученые придумали технологию, которая может сделать холодильники более дешевыми и энергоэффективными
Новый принцип охлаждения
Все существующие хладагенты, которые используются в холодильниках и кондиционерах, работают по одному и тому же принципу — газ охлаждается в момент расширения. Однако существуют и другие процессы, при которых вещество может отдавать и поглощать тепловую энергию.
Сотрудники Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета разработали метод накопления или высвобождения тепловой энергии в момент изменения фазового состояния вещества, то есть при переходе из твердого в жидкое состояния и наоборот.
В момент плавления вещества происходит поглощение тепла. По этой причине, если лед тает, он охлаждает окружающую среду, так как поглощает тепло подобно хладагенту. По словам исследователей, чтобы заставить лед таять, его не обязательно греть. Достаточно добавить в него несколько заряженных частиц или ионов. Надо сказать, что в жизни мы часто наблюдает этот процесс, когда зимой дороги посыпают солью, чтобы они не покрывались льдом. Это и есть пример таяния льда без нагрева.
Когда вещество переходит из твердого состояния в жидкое, оно поглощает тело из окружающей среды
Новый метод охлаждения, придуманный американскими учеными, тоже основан на применении соли для изменения фазы вещества и охлаждения окружающей среды. Он получил название “ионоциклическое охлаждение”.
Как работает новый метод охлаждения
Принцип нового метода основан на том, что проходящий через систему ток перемещает в ней ионы. В результате изменяется точка плавления материала, от которой зависит изменение температуры окружающей среды. Проще говоря, в вещество добавляются ионы, в результате чего оно плавится, после чего ионы убираются, и вещество вновь становится твердым.
В своем исследовании авторы работы использовали соль, приготовленную из йода и натрия. С ее помощью плавили этиленкарбонат. Это органическое соединение, представляющее собой сложный эфир угольной кислоты и этиленгликоля.
Этиленкарбонат часто используется как органический растворитель. Кроме того, его применяют в литий-ионных батареях. Для производства этого вещества требуется углекислый газ. Поэтому, по мнению ученых, технология обеспечивает отрицательные выбросы парниковых газов. То есть парниковый газ при производстве не выбрасывается в атмосферу, а, наоборот, поглощается.
Этиленкарбонат представляет собой прозрачную жидкость
Во время исследователя ученым удалось изменить температуру на 25 градусов, используя для этого заряд с напряжением менее одного вольта. Об этом авторы сообщают в журнале Science. Чтобы добиться такого результата при помощи традиционных технологий, необходимо затратить во много раз больше энергии. Еще меньше энергии расходует лишь солнечный холодильник, но он так и не поступил в производство.
То есть в плане энергоэффективности ионоциклическому охлаждению пока нет равных. Кроме того, ученые рассчитывают, что и стоимость охладительного оборудования, работающего на основе этой технологии, будет более низкой. Это значит, что холодильники и кондиционеры, теоретически, могут подешеветь. А самое главное, они будут потреблять на порядок меньше энергии. Кроме того, технологию с таким же успехом можно было бы использовать для обогрева.
Новую технологию можно использовать не только для охлаждения, но и обогрева
Но для этого ученым необходимо перенести свой метод из лабораторных условий в работающие системы, которые можно производить массово. Кроме того, она должна легко масштабироваться. Скорее всего, это произойдет не так скоро. Команда планирует еще провести много экспериментов с различными материалами, чтобы обеспечить максимальную эффективность своего метода. Только после того, как технология будет разработана окончательно, начнутся работы по применению ее на практике.
Напомним, что несколько лет назад была придумана система охлаждения на основе магнитов, однако она по сей день не получила распространения. Правда, ионоциклическое охлаждение выглядит более убедительно. Поэтому будем надеяться, что технологию все же удастся использовать на практике.
