Добавление соли на дорогу перед зимней бурей изменяет время образования льда. Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) при Министерстве энергетики применили эту базовую концепцию для разработки нового метода нагрева и охлаждения. Этот метод, который они назвали "ионокалорическое охлаждение", описан в статье, опубликованной 23 декабря в журнале Science.

Ионокалорическое охлаждение использует преимущества того, как энергия, или тепло, сохраняется или высвобождается при изменении фазы материала - например, при переходе от твердого льда к жидкой воде. При таянии материал поглощает тепло из окружающей среды, а при застывании - выделяет его. Ионно-калорический цикл вызывает это изменение фазы и температуры благодаря потоку ионов (электрически заряженных атомов или молекул), которые исходят из соли.

Исследователи надеются, что этот метод в один прекрасный день сможет обеспечить эффективное отопление и охлаждение, на которые приходится более половины энергии, используемой в домах, и поможет отказаться от нынешних систем "сжатия паров", в которых в качестве хладагентов используются газы с высоким потенциалом глобального потепления. Ионокалорическое охлаждение устранит риск утечки таких газов в атмосферу, заменив их твердыми и жидкими компонентами.

"Ландшафт хладагентов - это нерешенная проблема: никто не смог успешно разработать альтернативное решение, которое делает вещи холодными, работает эффективно, безопасно и не вредит окружающей среде", - говорит Дрю Лилли, аспирант лаборатории Беркли и кандидат наук в Калифорнийском университете в Беркли, возглавлявший исследование. "Мы считаем, что ионокалорический цикл может достичь всех этих целей, если будет реализован должным образом".

Поиск решения, которое заменит существующие хладагенты, необходим странам для достижения целей по борьбе с изменением климата, таких как цели Кигальской поправки (принятой 145 сторонами, включая США, в октябре 2022 года). Соглашение обязывает подписавшие его стороны сократить производство и потребление гидрофторуглеродов (ГФУ) как минимум на 80% в течение следующих 25 лет. ГФУ являются мощными парниковыми газами, широко используемыми в холодильниках и системах кондиционирования воздуха, и способны задерживать тепло в тысячи раз эффективнее, чем углекислый газ.

Новый ионокалорический цикл присоединяется к нескольким другим видам "калорического" охлаждения, находящимся в стадии разработки. Эти методы используют различные способы - включая магнетизм, давление, растяжение и электрические поля - для манипулирования твердыми материалами таким образом, чтобы они поглощали или выделяли тепло. Ионокалорическое охлаждение отличается тем, что для изменения фазы твердого тела в жидкость используются ионы. Использование жидкости имеет дополнительное преимущество: материал можно перекачивать, что облегчает ввод и вывод тепла из системы - то, с чем сталкивались твердотельные системы охлаждения.

Лилли и автор работы Рави Прашер, научный сотрудник отдела энергетических технологий Лаборатории Беркли и адъюнкт-профессор машиностроения Калифорнийского университета в Беркли, изложили теорию, лежащую в основе ионокалорического цикла. По их расчетам, он может конкурировать с газообразными хладагентами, используемыми в большинстве современных систем, или даже превосходить их по эффективности.

Они также продемонстрировали методику экспериментально. Лилли использовал соль, состоящую из йода и натрия, наряду с этиленкарбонатом - обычным органическим растворителем, используемым в литий-ионных батареях.

"Существует потенциал для получения хладагентов, которые не только имеют нулевой GWP [потенциал глобального потепления], но и GWP-отрицательный", - сказал Лилли. "Использование такого материала, как этиленкарбонат, может быть фактически углеродно-отрицательным, потому что для его производства используется углекислый газ. Это может дать нам возможность использовать CO2 для улавливания углерода".

Пропускание тока через систему перемещает ионы, изменяя температуру плавления материала. При плавлении материал поглощает тепло из окружающей среды, а когда ионы удаляются и материал застывает, он отдает тепло обратно. Первый эксперимент показал изменение температуры на 25 градусов Цельсия при использовании менее одного вольта, что является большим подъемом температуры, чем демонстрируют другие калорические технологии.

"Есть три вещи, которые мы пытаемся сбалансировать: GWP хладагента, энергоэффективность и стоимость самого оборудования", - сказал Прашер. "С первой попытки наши данные выглядят очень многообещающими по всем трем аспектам".

Хотя калорические методы часто обсуждаются с точки зрения их охлаждающей способности, циклы также могут быть использованы для таких применений, как нагрев воды или промышленное отопление. Команда ионокалориков продолжает работу над прототипами, чтобы определить, как можно масштабировать метод для поддержки больших объемов охлаждения, улучшить количество изменений температуры, которые может поддерживать система, и повысить эффективность.

"У нас есть совершенно новый термодинамический цикл и структура, объединяющая элементы из разных областей, и мы показали, что это может работать", - сказал Прашер. "Теперь настало время для экспериментов, чтобы проверить различные комбинации материалов и методов для решения инженерных задач".

Лилли и Прашер получили предварительный патент на ионокалорический холодильный цикл, и теперь технология доступна для лицензирования.