8 Minutės
Tyrėjai pristatė naują šaldymo koncepciją, vadinamą ionokaloriniu aušinimu — metodą, kuriame naudojami įkrauti dalelės (jonai), kad būtų sukeliami faziniai pokyčiai ir absorbuojama šiluma. Ši technologija žada gerokai didesnį efektyvumą bei daug mažesnį klimato poveikį nei šiandien plačiai naudojami šaldymo skysčiai, todėl ionokalorinės sistemos gali pakeisti pastatų, maisto ir elektronikos aušinimą.
How ionocaloric cooling actually works
Dauguma šiuolaikinių šaldytuvų remiasi garo suspaudimo ciklais: skystis garuoja, absorbuodamas šilumą, tada yra suspaudžiamas ir kondensuojamas, kad šiluma būtų išskirta kitur. Šis metodas yra patikrintas ir efektyvus, tačiau kai kurie naudojami dujos (ypač hidrofluorokarbonai, HFC) turi didelį atšilimo potencialą (GWP). Ionokalorinis aušinimas žengia kita kryptimi, pasitelkdamas fazinių perėjimų fiziką ir jonų judėjimą šilumai perkelti.
Pabandykite įsivaizduoti didelį ledo gabalą: šilumos įtekėjimas ištirpdys ledą, o lydymasis pasisavina energiją iš aplinkos ir ją atvėsina. Ionokalorinės sistemos priverčia panašų fazinį perėjimą be didelių temperatūros svyravimų: keičiant medžiagos lydymosi temperatūrą įvedant ar nukeliant jonus, medžiaga gali būti sukonfigūruota absorbuoti arba išskirti šilumą pagal poreikį. Tokiu būdu taupomas energijos vartojimas ir suteikiamas tikslus temperatūros valdymas.
Praktikoje ionokalorinis ciklas naudoja elektros srovę, kad per skystį ar tirpiklio fazę perpumpuotų įkrautas daleles. Šie jonai keičia tarp molekulinius ryšius ir taip slenka temperatūra, kurioje medžiaga keičia fazę. Lawrence Berkeley nacionalinėje laboratorijoje kartu su UC Berkeley atliktuose laboratoriniuose bandymuose mokslininkai taikė nedidelę elektros įtampą, kad stumtų jonus, ir užfiksavo reikšmingus temperatūros pokyčius. Tokie eksperimentai demonstruoja, kaip elektrocheminiai mechanizmai gali būti panaudoti praktinėms aušinimo bei šildymo funkcijoms vykdyti.
Ionokalorinio ciklo koncepcijos iliustracija. (Jenny Nuss/Berkeley Lab)
Key experiments and surprising performance
Science žurnale paskelbtuose eksperimentuose tyrėjai išbandė natrio ir jodo druskos sistemą, skirtą ištirpdyti etileno karbonatą — įprastą organinį tirpiklį, plačiai naudojamą ir litaičio jonų baterijų elektrolituose. Etileno karbonatas taip pat gali būti sintezuojamas iš anglies dioksido, todėl iškyla galimybė, jog pilnai veikiančios ionokalorinės sistemos viso gyvavimo ciklo GWP gali būti artimas nuliui arba net neigiamas, jei panaudojami CO2 utilizavimo metodai.
Išsiskyrė ypač didelis temperatūrinis poslinkis: po mažesnės nei vieno volto pritaikymo tyrėjai užfiksavo apytiksliai 25 °C (apie 45 °F) skirtumą. Toks rezultatas pranoks daugelį iki šiol plėtotų kalorinių aušinimo metodų ir rodo didelį potencialą praktinėms šaldymo bei šildymo programoms, kur reikia nedidelės elektros energijos investicijos, bet reikalingas didelis temperatūros pokytis.
Tokie eksperimentiniai duomenys praeityje buvo reti, nes daugeliui alternatyvių kalorinių mechanizmų pasiekti panašiai didelius temperatūros skirtumus reikėdavo didesnių išteklių, sudėtingesnių medžiagų arba aukštesnių įtampų. Ionokalorinėms sistemoms pavyko parodyti, jog, atsižvelgiant į tinkamas medžiagas ir elektrodų architektūrą, reikalingos energijos kiekis gali būti minimalus, o temperatūros valdymas — itin tikslus.
"Atšilimo medžiagų peizažas yra neišspręsta problema," teigė Drew Lilley, mechanikos inžinierius Lawrence Berkeley nacionalinėje laboratorijoje. "Niekas iki šiol neparengė alternatyvos, kuri vienu metu leistų efektyviai vėsinti, būtų saugi ir nekenktų aplinkai. Manome, jog ionokalorinis ciklas turi potencialą atitikti visus tuos reikalavimus, jeigu jis bus tinkamai įgyvendintas."
Tyrėjai taip pat atliko termodinaminį modeliavimą ir palygino rezultatus su tradiciniais šaldymo mediais. Ankstyvieji skaičiavimai rodo, kad ionokaloriniai ciklai gali konkuruoti energijos efektyvumu ir tuo pačiu ženkliai sumažinti aplinkos poveikį — žinoma, jei bus pasirinktos tinkamos medžiagos ir sistema inžineriniu požiūriu pritaikyta realioms darbo sąlygoms.
Ionokalorinis ciklas veikiantis praktikoje. (Jenny Nuss/Berkeley Lab)
Why this matters for climate policy and industry
Šiuolaikinės šaldymo sistemos daugiausia priklauso nuo HFC dujų, kurių dauguma valstybių mažina pagal susitarimus, tokius kaip Kigali pataisa. Šis susitarimas įpareigoja šalis per artimiausius ~25 metus smarkiai sumažinti HFC gamybą ir naudojimą. Praktinė ionokalorinė technologija galėtų tapti svarbia šios transformacijos dalimi, pasiūlydama žemo GWP alternatyvą, kuri vis tiek atitiktų našumo reikalavimus.
Be klimato pranašumų, ionokalorinės sistemos gali turėti ir kitų privalumų: mažesnę užsiliepsnojimo ir toksiškumo riziką (priklausomai nuo pasirinktų medžiagų), galimybę veikti naudojant elektrą su itin smulkia temperatūros kontrole reguliuojant jonų srautą, taip pat lankstumą integruotis su atsinaujinančios energijos šaltiniais. Mokslininkai taip pat tiria atvirkštinį režimą — ciklą naudoti šilumos tiekimui — kas leistų pritaikyti technologiją šilumos siurbliaioms ir pastatų šildymo, vėdinimo bei oro kondicionavimo (HVAC) sistemoms.
Pramonėje ir politikos formuotojams tai svarbu dėl kelių priežasčių: energijos vartojimo mažinimas, globalinių emisijų mažinimas, ir ilgalaikė priklausomybės nuo HFC mažinimas. Jei ionokalorinės technologijos pasieks pramoninį brandumą, jos galėtų tapti kertiniu sprendimu siekiant tvaresnio aušinimo sektoriaus, ypač komerciniuose šaldytuvuose, parduotuvių šaldymo spintose, duomenų centruose ir namų buitinėje technikoje.
Engineering challenges and the road to commercialization
Laboratoriniai rezultatai yra perspektyvūs, tačiau naujo termodinaminio ciklo mastelis į patikimus ir ekonomiškus įrenginius — sudėtingas inžinerinis uždavinys. Komandos turi suderinti tris pagrindinius faktorius: naudojamų darbo skysčių GWP, bendrą energetinį efektyvumą ir įrangos kainą. Ankstyvi bandymai rodo, jog ionokaloriniai sprendimai gali būti palankūs visais trim aspektais, tačiau šie privalumai turi išlikti ilgo ciklo metu, esant realiems apkrovimams ir laikantis pramonės saugumo standartų.
Iššūkiai apima medžiagų stabilumą ilgo ciklo metu, elektrodų ir membranų ilgaamžiškumą, jonų migracijos greitį ir jo nuoseklumą, taip pat sistemos sandarumo ir buitinių sąlygų atlaikymą. Reikalinga kruopšti medžiagų atranka: druskos ir tirpikliai turi turėti tinkamą termodinaminį langą, cheminį stabilumą, mažą koroziją ir galimybę būti perdirbami arba saugiai utilizuojami.
Vykdomi darbai apima skirtingų druskų ir tirpiklių atranką, siekiant rasti geriausias kombinacijas stabilumui, talpai ir perdirbamumui. 2025 metais tarptautinė komanda paskelbė efektyvų ciklo variantą, naudojant nitrato pagrindu pagamintas druskas, kurios buvo perdirbamos taikant elektrinius laukus ir selektyvias membranas — būtent tokio tipo medžiagų inovacijų Berkeley grupė tikėjosi po savo pirminio koncepcijos įrodymo.
Praktiniai komerciniai sprendimai reikalauja papildomų elementų: patikimų elektrodų konstrukcijų, efektyvių jonų pernešimo sluoksnių, modulinių blokų, kuriuos būtų galima integruoti į esamą HVAC įrangą, ir standartizuotų saugos protokolų. Taip pat svarbu atlikti išsamius gyvenimo ciklo vertinimus (LCA) ir integruoti medžiagų tiekimo grandines, kurios užtikrintų mažą GWP per visą produkto gyvavimo ciklą.
"Trys dalykai, kuriuos stengiamės subalansuoti: šaldymo skysčio GWP, energijos efektyvumas ir pačios įrangos kaina," sakė Ravi Prasher, dar vienas mechanikos inžinierius Berkeley laboratorijoje. "Nuo pirmo bandymo mūsų duomenys atrodo labai perspektyvūs visais trim aspektais." Tačiau jis pabrėžė, kad reikia daugiau ilgalaikių bandomųjų įrenginių, didelio masto testų ir pramoninių partnerių, kad būtų galima patvirtinti technologijos konkurencingumą rinkoje.
Expert Insight
"Ionokalorinis aušinimas yra elegantiškas elektrochemijos ir termodinamikos susiliejimas," sako dr. Lena Park, klimato technologijų sistemų inžinierė, konsultavusi kelias švaraus aušinimo startuoles. "Fizikos principai yra tvirti, o pirminiai temperatūriniai svyravimai yra įspūdingi. Tačiau tikrasis išbandymas bus medžiagų ilgaamžiškumas ir tai, kaip šios sistemos integruosis su esamais prietaisais ir HVAC infrastruktūra. Jei šie barjerai bus įveikti, ionokaloriniai įrenginiai galėtų žymiai sumažinti aušinimo sektoriaus klimato pėdsaką visame pasaulyje."
Tyrėjai dabar koncentruojasi į medžiagų optimizavimą, ilgalaikius ciklinius bandymus ir inžinerinius prototipus, kurie galėtų būti vertinami realiomis sąlygomis. Tai apima ir naujus bandymus su selektyviomis membranomis, elektrodo geometrijos optimizavimą, termoelektrinį valdymą bei sistemos automatizaciją, leidžiančią tiksliai valdyti jonų srautą ir tuo pačiu — šilumos mainus.
Jeigu šie darbai pasiseks, ionokalorinis aušinimas galėtų gana greitai pereiti nuo laboratorinių stalų prie gamyklų, prekybos tinklų šaldymo spintų, duomenų centrų ir namų — tai retas atvejis, kai naujas termodinaminis ciklas turi tiesioginę ir reikšmingą klimato svarbą. Toks persikėlimas priklausys nuo tarptautinių standartų adaptacijos, pramonės investicijų ir tinkamų politikos skatinimo priemonių, kurios paskatintų perėjimą nuo HFC prie mažesnio GWP sprendimų.
Apibendrinant, ionokalorinis aušinimas siūlo novatorišką kelią link tvaresnio šaldymo sektoriaus: integruojant elektrocheminius mechanizmus su tradicinėmis aušinimo sistemomis, galima pasiekti aukštą efektyvumą, sumažinti sveikatai ir aplinkai pavojingų medžiagų naudojimą ir pagerinti sąveikumą su atsinaujinančios energijos šaltiniais. Ilgalaikė sėkmė priklausys nuo medžiagų mokslo pažangos, pramonės partnerystės ir efektyvios politikos, skatinančios mažo GWP technologijų diegimą.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą