✅Сохраняя прохладу, не нагревая планету

 

Cотрудники лаборатории Мейсона

Революционно новый механизм может открыть экологически чистое кондиционирование воздуха

Летняя дилемма, достойная Соломона: как сохранить прохладу в дни высокой жары и влажности, не прибегая к традиционному кондиционированию воздуха, которое потребляет огромное количество электроэнергии и выделяет мощные парниковые газы, вызывающие изменение климата.

Ответ потенциально включает в себя новый класс твердотельных хладагентов, которые могут обеспечить энергоэффективное и без выбросов охлаждение. И теперь исследователи из факультета химии и химической биологии разработали экологически чистый механизм для обеспечения твердотельного охлаждения с помощью двумерных перовскитов. Их результаты описаны в новом исследовании в Nature Communications.

“Отказ от систем сжатия пара, которые используются уже очень давно, является важной частью общего продвижения к более устойчивому будущему”, - сказал Джарад Мейсон, старший автор статьи и доцент кафедры химии и химической биологии. “Мы сосредоточены на глубоком изучении внутренних свойств этих материалов, чтобы увидеть, что возможно с точки зрения твердотельного охлаждения в качестве устойчивой альтернативы”.

Двумерные перовскиты, также известные как барокалорические материалы, выделяют и поглощают тепло в ответ на изменения давления по мере расширения и сжатия. Эффект основан на явлении, с которым вы, возможно, знакомы, если вы когда-либо растягивали воздушный шар и чувствовали, как он нагревается у ваших губ. Точно так же эти материалы выделяют тепло при давлении или напряжении. Не выделяя никаких вредных выбросов, этот механизм может отводить тепло в твердом состоянии, используя низкое рабочее давление.

Работой руководили сотрудники лаборатории Мейсона, в том числе Джинен Со, Райан Д. Макгилликадди, Адам Х. Славни, Селена Чжан ’22, Рахиль Укани и Шао-Лян Чжэн, директор рентгеновской лаборатории. В сотрудничестве с учеными Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, были также проведены расширенные испытания.

Этот новый механизм твердотельного охлаждения может преодолеть ограничения традиционной технологии охлаждения с сжатием пара, которая практически не изменилась с начала 20-го века.

Любая система охлаждения работает по циклу от состояния с низкой энтропией, когда материал может поглощать тепло, тем самым охлаждая пространство, до состояния с высокой энтропией, когда эта энергия может высвобождаться в радиаторе, где она рассеивается. Парокомпрессионные кондиционеры циркулируют летучий жидкий хладагент, который испаряется и конденсируется под переменным давлением через металлические змеевики для охлаждения замкнутого пространства и отвода тепла наружу. Выполнение циклов сжатия пара требует больших затрат энергии, на которые в настоящее время приходится почти 20 процентов потребления электроэнергии в зданиях по всему миру. Кроме того, вытекающие хладагенты более чем в 1000 раз более мощные парниковые газы, чем углекислый газ.

Кондиционер

Принцип работы нового кондиционера

Новый механизм (на фото) может заменить традиционную технологию охлаждения с сжатием пара, которая практически не изменилась с начала 20-го века.

Команда определила двумерные перовскиты как идеальные заменители, потому что они подвергаются фазовым переходам, которые могут быть обратимыми при минимальном давлении, оставаясь при этом в твердом состоянии; чем больше материал может изменять свою энтропию, тем более эффективным он может быть для запуска циклов охлаждения. С органическими двухслойными слоями, способными претерпевать большие изменения энтропии, когда их углеводородные цепочки переключаются между упорядоченным и неупорядоченным состояниями, команда ожидала, что двумерные перовскиты могут служить высоконастраиваемым твердотельным охлаждающим материалом, который может работать при более низких давлениях, чем считалось возможным.

Команда синтезировала материалы в своей лаборатории и протестировала их в калориметре высокого давления, чтобы измерить изменения теплового потока в материале при различных давлениях и температурах. Эти эксперименты показывают, сколько тепла может быть удалено в потенциальном цикле охлаждения, и какое давление необходимо для обратимого управления циклом.

“Как только мы начали тестирование материала, мы поняли, что можем отводить очень большое количество тепла при очень небольшом изменении давления”, - сказал Мейсон. “С этого момента мы знали, что здесь будет что-то интересное”.

Исследователи также провели эксперименты по дифракции рентгеновских лучей под высоким давлением в Аргонне, чтобы понять фазовые изменения на молекулярном уровне. С помощью рентгеновского синхротрона команды смогли охарактеризовать, как структура каждого материала изменяется при различных температурах и давлениях.

“Эти материалы заслуживают изучения помимо их многообещающих характеристик, - сказал Сео, - они также могут быть полезны химикам для понимания фундаментальных свойств, которые имеют решающее значение для реализации этой технологии в масштабе”.

Затем лаборатория Мейсона планирует создать прототипы барокалорических охлаждающих устройств, продолжая изучать потенциальное использование различных материалов.

“Скорее всего, мы будем использовать материалы следующего поколения для прототипа устройства”, - сказал Сео. “Мы пытаемся разработать новые технологии для решения проблемы охлаждения”.