Jak materiały, o których nigdy nie słyszałeś, mogą oczyścić klimatyzację

Rurki i inne elementy prototypu materiałów kalorycznych opracowanego na Uniwersytecie Maryland. Dzięki uprzejmości: Ichiro Takeuchi

Kilka lat temu naukowcy z Politechniki Katalonii i Uniwersytetu Cambridge przeprowadzili serię prostych eksperymentów, które mogą mieć ogromne znaczenie dla chłodzenia i zamrażania.

Umieścili plastikowe kryształki glikolu neopentylowego – powszechnie stosowanej substancji chemicznej używanej do produkcji farb i smarów – w komorze, dodali olej i przekręcili tłok. W miarę ściśnięcia płynu i przyłożenia ciśnienia temperatura kryształów wzrosła o około 40 ˚C.

To było największa zmiana temperatury, jaką kiedykolwiek zarejestrowano od wywierania nacisku na materiały, przynajmniej wtedy, gdy wyniki zostały opublikowane w dokument Nature Communications ostatni rok. A złagodzenie ciśnienia ma odwrotny skutek, dramatycznie ochładzając kryształy.

Zespół badawczy stwierdził, że wyniki wskazują na obiecujące podejście do zastąpienia tradycyjnych czynników chłodniczych, potencjalnie zapewniające chłodzenie przyjazne dla środowiska bez obniżania wydajności. Takie postępy mają kluczowe znaczenie, ponieważ wzrost bogactwa, rosnąca populacja i rosnące temperatury mogą potroić zapotrzebowanie na energię z chłodzenia pomieszczeń do 2050 r. bez większych ulepszeń technologicznych. projekty Międzynarodowej Agencji Energii .

Zmiana temperatury materiałów była porównywalna do zmian zachodzących w wodorofluorowęglowodorach napędzających chłodzenie w standardowych systemach klimatyzacji i lodówkach. Jednak fluorowęglowodory są silnymi gazami cieplarnianymi.

Praca oparta jest na znanym od dawna zjawisku, znajomy, jeśli kiedykolwiek naciągnąłeś balon i dotknąłeś nim ust , w którym tak zwane materiały kaloryczne uwalniają ciepło pod wpływem nacisku lub obciążenia. Poddanie pewnych materiałów działaniu pól magnetycznych i elektrycznych lub kombinacji tych sił również w niektórych przypadkach załatwia sprawę.

Naukowcy od dziesięcioleci opracowują lodówki magnetyczne oparte na tych zasadach, chociaż zwykle wymagają one dużych, mocnych i drogich magnesów. Ale naukowcy robią znaczne postępy w tej dziedzinie, według praca przeglądowa w Science w czwartek, napisany przez Xaviera Moyę i N.D. Mathura, materiałoznawców z University of Cambridge, którzy pracowali nad opisanymi powyżej eksperymentami.

Autorzy zauważają, że zespoły badawcze identyfikują liczne materiały kaloryczne, które podlegają dużym zmianom temperatury, i wykorzystują je do pracy w prototypowych urządzeniach grzewczych i chłodzących. Materiały i urządzenia, które mogą uwalniać i przenosić duże ilości ciepła za pomocą elektryczności, naprężeń i ciśnienia – podejścia, które tak naprawdę nabrały tempa dopiero nieco ponad dekadę temu – już nadrabiają zaległości z wydajnością osiągniętą przez dziesięciolecia pracy w magnesach. oparte na urządzeniach chłodzących.

Oprócz zmniejszenia zapotrzebowania na wodorofluorowęglowodory istnieje nadzieja, że ​​technologia może być ostatecznie bardziej wydajna energetycznie niż standardowe urządzenia chłodzące, biorąc pod uwagę uwalniane ciepło w stosunku do ilości energii potrzebnej do napędzania zmian. Kluczową różnicą w stosunku do tej technologii jest to, że materiały pozostają w stanie stałym, podczas gdy tradycyjne czynniki chłodnicze, takie jak fluorowęglowodory, działają poprzez przechodzenie między fazą gazową i ciekłą.

Wyzwolenie zmiany fazy

Oto jak działa ta technologia:

Wiele materiałów wykazuje niewielkie zmiany temperatury pod działaniem pewnych sił. Ale naukowcy polowali na materiały, które podlegają dużym zmianom, najlepiej z jak najmniejszej ilości dodanej energii. Wśród innych materiałów, pewne stopy metali pod obciążeniem wykazały obiecujące wyniki; niektóre materiały ceramiczne i polimery dobrze reagują na pola elektryczne; a sole nieorganiczne i guma wyglądają obiecująco pod względem ciśnienia.

Siły lub pola ustawiają atomy lub molekuły w materiałach w bardziej uporządkowany sposób, powodując zmianę fazy podobną do tej, która ma miejsce, gdy molekuły swobodnie płynącej wody zamieniają się w zwarte kryształki lodu. (Jednak w przypadku materiałów kalorycznych zmiana fazy zachodzi, gdy materiały pozostają w stanie stałym, chociaż jest bardziej sztywnym). Proces ten uwalnia wystarczającą ilość ciepła utajonego, aby uwzględnić różnicę energii między dwoma stanami. Kiedy materiały wracają do tyłu po uwolnieniu sił, powoduje to spadek temperatury, który można następnie wykorzystać do chłodzenia.

Nie różni się to zbytnio od tego, jak działają dzisiaj urządzenia chłodzące: rozprężają fluorowęglowodory do punktu, w którym przechodzą z cieczy w gaz. Ale to podejście do chłodzenia w stanie stałym może być znacznie bardziej wydajne energetycznie, przynajmniej częściowo, ponieważ nie trzeba przesuwać cząsteczek prawie tak daleko, aby spowodować zmianę fazową, mówi Jun Cui, starszy naukowiec z Ames Laboratory.

Wejście na rynek

Kluczem do dostarczania konkurencyjnych urządzeń komercyjnych jest identyfikacja niedrogich materiałów, które podlegają dużym zmianom temperatury, łatwo je cofają, wytrzymują długie cykle tych zmian bez awarii (lodówki komercyjne może działać przez miliony cykli ) i nie są drogie.

Niektóre materiały i przypadki użycia zbliżają się do wprowadzenia na rynek komercyjny, mówi Ichiro Takeuchi, materiałoznawca z University of Maryland. On założył firmę do produkcji urządzeń chłodzących z materiałów, które reagują na naprężenia około dekadę temu, zwanych Maryland Energy & Sensor Technology.

Jego grupa badawcza opracowała prototypowe urządzenie chłodzące, które ściska i uwalnia rury wykonane z niklowo-tytanowego w celu wywołania ogrzewania i chłodzenia. Woda przepływająca przez rurki pochłania i rozprasza ciepło w początkowej fazie, a następnie proces przebiega w odwrotnej kolejności do zimnej wody, którą można wykorzystać do schłodzenia pojemnika lub przestrzeni życiowej.

Prototypowe urządzenie chłodzące opracowane przez grupę badawczą Ichiro Takeuchi.

UPRZEJMIE: ICHIRO TAKEUCHI

Firma planuje wyprodukować chłodziarkę do wina, która nie wymaga takiej samej mocy chłodzenia jak duża lodówka lub klimatyzator okienny, jako produkt początkowy, z bliżej nieokreślonego, ale tańszego materiału.

Moya, jeden z autorów artykułu Science, był współzałożycielem własnego startupu około półtora roku temu. Barokal , z siedzibą w Cambridge w Anglii, opracowała prototyp pompy ciepła w oparciu o plastikowe kryształy które są spokrewnione z glikolem neopentylowym, ale lepsze, mówi.

W sumie powstało kilkanaście startupów komercjalizujących technologię, a kilka już istniejących firm, w tym chiński gigant AGD Haier i Astronautics Corporation of America , również zbadali jego potencjał.

Cui spodziewa się, że w ciągu najbliższych 5–10 lat zobaczymy pierwsze komercyjne produkty oparte na materiałach zmieniających temperaturę w odpowiedzi na siłę i naprężenia, ale twierdzi, że prawdopodobnie zajmie to lata dłużej, aby ceny stały się konkurencyjne w stosunku do standardowych produktów chłodzących .

Aktualizacja: Ta historia została zaktualizowana, aby wyjaśnić czas eksperymentów z glikolem neopentylowym.

ukryć