Вчені вигадали екологічний кондиціонер з твердим холодоагентом

Розробка американців працює без використання парникових газів

Літо в США в самому розпалі, і люди вмикають свої кондиціонери, щоб перемогти спеку. Але гідрофторвуглецеві холодоагенти у цих та інших охолоджуючих пристроях є потужними парниковими газами та основними факторами зміни клімату. Phys.org повідомляє про створення пристрою, який колись зможе замінити існуючі кондиціонери. Він набагато екологічніший і використовує тверді холодоагенти для ефективного охолодження приміщень.

"Встановлення кондиціонера або його утилізація - величезний фактор глобального потепління", - говорить Адам Славні, один із розробників. Холодоагенти, що використовуються в цих системах, у тисячі разів потужніші за вуглекислий газ і можуть випадково витекти при експлуатації або утилізації.

Традиційні системи охолодження, такі як кондиціонери, працюють, змушуючи холодоагент циклічно переходити з газоподібного стану в рідкий. Коли рідина стає газом, вона розширюється та поглинає тепло, охолоджуючи кімнату або внутрішню частину холодильника. Компресор, який працює при тиску близько 4,8-10,3 бар, перетворює газ назад на рідину, виділяючи тепло. У випадку кондиціонерів це тепло прямує за межі будинку. Хоча цей цикл ефективний, побоювання з приводу зміни клімату та суворіші правила щодо гідрофторвуглецевих холодоагентів стимулюють пошук більш екологічно безпечних холодоагентів.

Тверді холодоагенти можуть бути ідеальним рішенням. На відміну від газів, тверді частинки не потраплятимуть до навколишнього середовища з кондиціонерів. Один клас твердих холодоагентів, званих барокалорічними матеріалами, працює аналогічно традиційним газорідинним системам охолодження. Вони використовують зміну тиску для проходження теплових циклів, але в цьому випадку тиск викликає фазовий перехід від твердого до твердого. Це означає, що матеріал залишається жорстким, але змінюється його внутрішня молекулярна структура. Ключовим структурним аспектом цих твердих барокалорічних матеріалів є те, що вони містять довгі гнучкі молекулярні ланцюги, які зазвичай є гнучкими і невпорядкованими. Але під тиском ланцюги стають більш упорядкованими та жорсткими — відбувається зміна, яка вивільняє тепло. Процес переходу від упорядкованої структури до розслабленої подібний до плавлення воску, але без перетворення його на рідину, каже Джарад Мейсон, керівник досліджень, що працює в Гарвардському університеті. Коли тиск скидається, матеріал знову поглинає тепло, завершуючи цикл.

Однак недоліком барокалоричних систем є те, що більшості цих матеріалів потрібний величезний тиск для запуску теплових циклів. Для створення таких тисків системам потрібне дороге спеціалізоване обладнання, яке є недоцільним для реальних систем охолодження. Мейсон і його команда нещодавно повідомили про барокалорічні матеріали, які можуть діяти як холодоагенти при набагато нижчих тисках. Вони показали, що холодоагенти, які називаються металогалогенідними перовскітами, можуть працювати в системі охолодження, яку вони побудували з нуля. "Матеріали, про які ми повідомляли, можуть працювати при тиску близько 200 бар, що є тиском, при якому може працювати типова гідравлічна система", - говорить Славні.

Зараз команда побудувала перший у своєму роді прототип, який демонструє використання цих нових матеріалів у практичній системі охолодження. Пристрій складається із трьох основних частин. Одна являє собою металеву трубку, заповнену твердим холодоагентом і інертною рідиною - водою або оливою. Інша частина пристрою являє собою гідравлічний поршень, що чинить тиск на рідину. Нарешті, сама рідина допомагає передавати цей тиск холодоагенту та переносити тепло через систему.

Вирішивши кілька інженерних завдань, команда показала, що барокалорічні матеріали працюють як функціональні холодоагенти, перетворюючи зміну тиску на повні цикли зміни температури. "Наша система, як і раніше, не використовує такий низький тиск, як у комерційних холодильних системах, але ми наближаємося до цього", - говорить Мейсон. Наскільки відомо команді, це перша система охолодження, в якій використовуються тверді холодоагенти, що залежать від зміни тиску.

Маючи дослідний пристрій, команда планує протестувати різноманітні барокалорічні матеріали. «Ми дійсно сподіваємося використовувати цю машину як випробувальний стенд, щоб знайти ще найкращі матеріали, — каже Славні. — У тому числі ті, які працюють за нижчого тиску і краще проводять тепло». Дослідники вважають, що з оптимальним матеріалом тверді холодоагенти можуть стати життєздатною заміною нинішнім системам кондиціонування повітря та іншим технологіям охолодження.