В основе этого прототипа холодильного оборудования лежит материал, который остывает при простом сжатии и высвобождении. Это один из многих так называемых калорийных материалов, которые могут удовлетворить быстро растущие потребности мира в охлаждении, не усугубляя изменение климата. Эти материалы охлаждаются в ответ на давление, электрические или магнитные поля. В этой концепции твердотельного охлаждения полностью отсутствуют летучие жидкие хладагенты, которые являются источником жизненной силы практически для всех современных технологий охлаждения и вносят важный вклад в глобальное потепление.
По мере того как миллиарды кондиционеров, холодильников, чиллеров и осушителей в мире стареют и становятся одноразовыми, их хладагенты в основном просачиваются в атмосферу, где они задерживают солнечную радиацию гораздо сильнее, чем углекислый газ. И каждый день все более вспотевшие жители планеты устанавливают около 260 000 новых кондиционеров (кондиционеров). При таких темпах количество кондиционеров воздуха, вероятно, вырастет с нынешних 1,2 миллиарда или около того до 4,5 миллиардов к 2050 году. Системы сжатия пара внутри охлаждающих устройств уже потребляют около 20% мировой электроэнергии, производство которой является основным источником энергии. выбросы углекислого газа человечеством. Без повсеместного обновления технологий охлаждения ожидаемый взрывной рост спроса и предложения на охлаждение обречен на усугубление глобального потепления. А это, в свою очередь, увеличит потребность в дополнительном охлаждении.
Это порочный круг, который уже уничтожает другие аспекты реакции мира на изменение климата. «Вся новая электрическая мощность, созданная за счет дополнительной солнечной энергии [в 2018 году], полностью затмилась подключением новых блоков переменного тока», - говорит Джессика Браун из ClimateWorks Foundation, благотворительной организации в Сан-Франциско, которая финансирует усилия по борьбе с изменением климата.
Чтобы прервать этот цикл, материаловед из Университета Мэриленда Ичиро Такеучи - соавтор А-образной испытательной установки для охлаждения - и другие исследователи, технологи и предприниматели по всему миру разрабатывают калорийные материалы. Они надеются внедрить технологию охлаждения посредством перехода, аналогичного переходу от электронных ламп к транзисторам или продолжающейся замене ламп накаливания на светодиоды. Чтобы попасть туда, они должны найти материалы с набором свойств, которые сложно собрать:
- достаточная мощность охлаждения,
- превосходная энергоэффективность,
- достаточное сопротивление отказу,
- адекватная доступность ингредиентов и
- достаточно низкая стоимость.
Об этом можно много просить в одном материале, но по мере того, как потребность в решении усилилась, исследователи продолжают искать калорийный материал, в котором есть все.
Охлаждение без газа
Растущий список кандидатов калорийных материалов включает металлы, керамику и пластмассы. Колебания температуры калорийных материалов являются результатом изменений энтропии микроструктур материалов, когда они подвергаются циклическому магнитному, электрическому или напряженному полю. Например, вы можете уменьшить магнитную энтропию в магнитокалорическом материале, совместив магнитные домены с приложенным магнитным полем. Энтропия колебаний атомной решетки увеличивается для компенсации, что вызывает нагрев. Удалите поле, обеспечивающее порядок, чтобы домены стали более случайными (более высокая энтропия), а температура упала, потому что домены впитывали энтропию из колеблющейся решетки.
Уловка состоит в том, чтобы отводить тепло, генерируемое во время фазы цикла с низкой магнитной энтропией, наружу с помощью жидкого теплоносителя. Затем, во время фазы высокой магнитной энтропии, система теплообмена должна изменить направление, чтобы направить уже охлажденный теплоноситель в охлаждающие змеевики холодильной камеры или кондиционера.
В начале цикла магнитокалорического охлаждения (верхний ряд) приложенное магнитное поле выравнивает домены в материале, что снижает его магнитную энтропию. Чтобы компенсировать это, энтропия, связанная с колебаниями решетки, увеличивается, поэтому материал нагревается. Удаление этого лишнего тепла с помощью теплообменной жидкости снижает температуру материала (внизу справа). Затем магнитное поле удаляется, поэтому домены теряют ориентацию, а магнитная энтропия увеличивается, что снижает колебательную энтропию и температуру решетки (внизу слева). Холодный материал нагревается при охлаждении теплообменной жидкости, которая течет к змеевикам холодильника или кондиционера.
«Есть фундаментальная наука. Мы знаем, как это сделать », - говорит Виталий Печарский из лаборатории Эймса Министерства энергетики США. «Мы просто не умеем делать это недорого». Например, в области магнитокалорических материалов никто не придумал достаточно стойкого к усталости материала, который мог бы обеспечить достаточное охлаждение при воздействии достаточно небольшого магнитного поля - и все это по доступной цене, - говорит Печарский. Но он и другие эксперты по калорийным материалам осторожно оптимистичны в отношении того, что прогресс придет со временем и достаточной приверженностью к решению инженерных задач.
Множество вкусов калорийных материалов
Исследователи расходятся во мнениях относительно того, какой тип калорийного материала - электро, магнето или эласто - наиболее перспективен. Такеучи сейчас делает ставку на класс материалов на основе меди, которые являются частью так называемого семейства сплавов с памятью формы (SMA), которые могут претерпевать эластокалорийные изменения температуры при относительно мягком сжатии. Такеучи говорит, что он получил образцы сплавов от японской компании, которая разрабатывает их, чтобы помочь подавить землетрясения в зданиях. По его словам, материалы должны стать доступными в больших количествах и по доступным ценам. «Вы можете себе представить, если материалы производятся серийно, то мы в деле».
На данный момент он и аспирант Дэвид Каталини экспериментируют с кластерами полых трубок SMA размером с карандаш в своей A-образной установке, пытаясь разработать прототипы устройств с умеренными требованиями к охлаждению, например, для винного холодильника. Полый формат этих групп трубок позволяет легко пропускать через них теплообменную жидкость, поскольку трубки подвергаются циклам сжатия (поршнем) и освобождения.
Материаловед Цимин Чжан из Университета штата Пенсильвания, является старейшиной области электрокалорики. Электрические поля не проникают глубоко в большинство твердых тел, поэтому электрокалорические материалы обычно используются в тонких структурах, которые лучше всего подходят для небольших устройств, например, для охлаждения электронных компонентов. В течение последних 15 лет Чжан пытался разработать электрокалорийную керамику и полимеры для изготовления охлаждающих материалов, которые были бы достаточно эффективными, достаточно дешевыми и достаточно прочными, чтобы быть практичными. В декабре на собрании Общества исследования материалов (MRS) в Бостоне он сообщил о прогрессе в создании больших электрокалорийных эффектов (до 20 ° C) с помощью полимера с использованием слабых электрических полей.
Печарский уверен в магнитокалорических материалах. В 1990-х он и его коллеги объединились с Корпорацией астронавтики в Милуоки. Коллаборация создала прототип магнитокалорического холодильника на основе сплавов гадолиния, вращающихся в магнитном поле и из него. Это достижение стало доказательством того, что калорийное охлаждение возможно, и Astronautics попыталась разработать коммерческую систему. Но компании так и не удалось в достаточной степени снизить стоимость производства необходимого магнитного поля и сделать систему конкурентоспособной с парокомпрессионными устройствами. Таким образом, они окончательно отказались от проекта несколько лет назад, - говорит инженер-астронавтик Стив Рассек. Печарский согласен с тем, что путь к магнитокалорийному охлаждению будет долгим, но он по-прежнему убежден, что нынешние препятствия на пути к шоу можно преодолеть.
Успех под давлением Barocal
начинающая компания из Кембриджа, Великобритания, надеется ускорить развитие технологий с помощью своих патентованных материалов с барокалорическим эффектом (BCE). Эти эластокалорические материалы нагреваются и охлаждаются в ответ на изменения гидростатического давления. Материалы Barocaloric недавно получили повышение статуса, когда в ноябре Barocal была названа среди восьми финалистов из 139 участников конкурса Global Cooling Prize. Премия, в значительной степени финансируемая миллиардером Ричардом Брэнсоном, направлена на стимулирование разработки «сверхэффективных и безопасных для климата решений для охлаждения жилых помещений». Barocal получила 200 000 долларов США (3 миллиона рандов) и шанс выиграть главный приз в один миллион долларов (15 миллионов рандов), который организаторы планируют вручить в конце этого года.
В основе конструкции прототипа Barocal лежат так называемые «пластиковые кристаллы», такие как неопентилгликоль (NPG), которые демонстрируют то, что компания называет «колоссальным барокалорийным охлаждающим эффектом». Уильям Авердик, управляющий директор компании и инженер-механик Кембриджского университета, утверждает, что лучший материал Barocal претерпевает резкое изменение температуры до 50 ° C при прессовании под давлением 1000 атмосфер.
В апреле директор по исследованиям компании Ксавиар Мойя и его коллеги сообщили, что большие барокалорийные эффекты, которые они измерили в NPG, связаны со способностью глобулярных молекул претерпевать резкие и обратимые перестройки, уменьшающие объем под давлением. Исследователи отметили, что наблюдаемые ими энтропийные и термические изменения, вызванные давлением, были в 10 раз лучше, чем измеренные в современных барокалорических материалах, и были «сопоставимы с наблюдаемыми в стандартном коммерческом фторуглеводородном хладагенте R134a». Примерно в то же время другая команда сообщила о подобных результатах для NPG.
Авердик признает, что рабочее давление в 1000 атмосфер непрактично. Даже в этом случае, по его словам, чрезвычайно высокое изменение температуры для NPG «вселяет в нас уверенность в том, что мы можем продолжить». Текущая конструкция компании включает масляную суспензию пластиковых кристаллических частиц в закрытой камере, давление которой изменяется вверх и вниз с помощью поршня.
Еще не все
Исследователи продолжают поиск новых типов калорийных материалов. Например, некоторые изучают «мультиферроидные» материалы, которые могут охлаждаться в ответ на несколько приложенных полей, таких как магнитное поле и давление, а не только одно. На встрече MRS исследователи из Университета штата Пенсильвания и Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде описали использование ими методов машинного обучения для компьютерной проверки 10 341 034 потенциальных сплавов железа, состоящих из 18 элементов, на предмет магнитокалорийных свойств.
Такеучи по-прежнему делает ставку на эластокалорийные сплавы. Он был достаточно оптимистичен, даже десять лет назад основал компанию Maryland Energy and Sensor Technology с целью коммерциализации эластокалорийных технологий. «В этом году мы планируем продемонстрировать эластокалорийный холодильник для вина», - говорит он. В знак оптимизма Такеучи, у стены в его лаборатории стоит несколько корпусов для винных холодильников, ожидающих установки эластокалорийных охлаждающих модулей. Трудно игнорировать стимулы к продолжению инноваций; за шесть минут, которые могли бы потребоваться, чтобы вы прочитали эту статью, более тысячи новеньких кондиционеров загудели.