Вчені Національної лабораторії Лоуренса Берклі розробили метод іонокалоричного охолодження - новий холодильний цикл, який, як вони сподіваються, допоможе поступово відмовитися від холодоагентів, що сприяють глобальному потеплінню.

Дослідники вже давно шукають альтернативи системам охолодження, аби зменшити їх негативний вплив на людей та довкілля. Ще у 1926 році власний вид холодильників спробували розробити Альберт Ейнштейн та Лео Сілард. До співпраці вчених підштовхнула трагічна подія, що сталася того року в Берліні: ціла сім'я загинула через отруєння газами, які просочилася в дім через зламану пломбу в холодильнику.

І такі витоки відбувались все частіше, оскільки люди почали купувати сучасні механічні холодильники, що використовували як холодоагенти отруйні речовини - хлорметан, аміак чи діоксид сірки.

Холодильник Ейнштейна-Сіларда

Ейнштейн та Сілард зосередились на абсорбційних холодильниках, у яких замість механічного компресора використовується джерело тепла (на той час полум'я природного газу) для керування процесом абсорбціїБез фреону та шкоди довкіллю. Вчені розробили альтернативний метод охолодження - іонокалоричний та виділення холодоагентів.

Попередня версія технології була представлена в 1922 році швейцарськими винахідниками, і Сілард знайшов спосіб покращити конструкцію, спираючись на свій досвід у термодинаміці. Джерело тепла у моделі Ейнштейна-Сіларда приводило в дію комбінацію газів та рідин через три взаємопов'язані контури: аміак під тиском, бутан та воду; без потреби в електроенергії для роботи приладу та рухомих частин. З однієї сторони була розміщена колба з бутаном (випарник), в яку впорскувався аміак. Коли вода википала, вона забирала енергію з навколишнього середовища, охолоджуючи камеру в процесі. 

Вчені отримали патент на винахід, який у 1930 році викупила компанія "Електролюкс". Однак холодильник так і не надійшов у серійне виробництво, адже того ж року розпочалося активне впровадження нетоксичного холодоагенту - фреону. 

Хоча й фреон не шкодить здоров'ю в домашніх умовах, його викиди, як і інших гідрофторвуглецевих речовин, впливають на глобальне потепління. Ось чому нині існує інтерес до так званих "калоричних" альтернатив охолодження.

"Калоричне" охолодження

У калоричному охолодженні тверді матеріали маніпулюють магнітними, електричними або механічними силами та змушують їх поглинати або віддавати тепло.

Наприклад, магнітне охолодження використовує магнітокалоричний ефект. Матеріал холодоагенту нагрівається під час дії магнітного поля, повторно поглинаючи це тепло, коли магнітне поле зникає.

Електрокалоричне та термоакустичне охолодження - ще одні кандидати у методи калоричного охолодження. У 2004 році магазин морозива Ben and Jerry's у Нью-Йорку відсвяткував День Землі, представивши прототип "термоакустичного холодильника", який використовує звукові хвилі замість стиснення пари. 

Іонокалоричний цикл

В іонокалоричному методі електрично заряджені атоми або молекули (іони) змінюють температуру плавлення твердого матеріалу (подібно до того, як додавання солі на дороги узимку змінює спосіб утворення льоду). Видалення іонів дозволяє матеріалу повторно тверднути та поглинати це тепло.

Мета дослідження полягає в тому, щоб збалансувати потенціал глобального потепління від холодоагенту, енергоефективність системи та вартість обладнання. Початкові теоретичні розрахунки іонокалоричного методу припускали, що він дорівнюватиме або навіть перевищуватиме ефективність сучасних газових холодильників. 

Далі дослідники провели експеримент з використанням солі та етиленкарбонату, який зазвичай міститься в літій-іонних батареях, й досягли зміни температури на 25°C, на що витратили менше одного вольта. Це значне покращення порівняно з іншими калоричними альтернативами охолодженню. 

Після отримання тимчасового патенту, автори планують розробити прототип. Надалі метод можна використовувати для підігріву води, промислового опалення або охолодження.

"У нас є абсолютно новий термодинамічний цикл і структура, яка об'єднує елементи з різних галузей, і ми показали, що це може працювати. Тепер настав час для експериментів, щоб випробувати різні комбінації матеріалів і технік для вирішення інженерних завдань", - зазначають дослідники у статті, нещодавно опублікованій в журналі Science.