Технология, лежащая в основе работы холодильников и существующая с XIX века, изменила наш образ жизни. Но человечество в будущем должно найти более экологичные способы хранить пищу в холоде, и учёные уже подходят к решению этой проблемы. Идея состоит в том, чтобы заменить парниковые газы твёрдыми материалами, которые могут быть использованы не только в холодильниках и кондиционерах, но и в электронных устройствах. Международная группа учёных во главе с Бин Ли (Bing Li) из Китайской академии наук (кит. 中国科学院), обнаружила, что кристаллы пластика под названием неопентилгликоль как раз могут выполнить подобную задачу.
Компрессия и декомпрессия молекул внутри кристалла могут дать существенный охлаждающий эффект, сообщают они в журнале Nature.
«Один цикл приведёт к перепаду температуры в помещении на 50 градусов, даже при небольшом давлении, — говорит соавтор исследования Дехон Юй (Dehong Yu) из Австралийской организации по ядерной науке и технологии (Australia’s Nuclear Science and Technology Organisation, ANSTO). — Это прекрасный пример того, как фундаментальные исследования применяются, чтобы создать реальную вещь, приносящую пользу в повседневной жизни».
От 25% до 30% мировой электроэнергии используется для охлаждения. Ваш холодильник или кондиционер основан на компрессии и декомпрессии газов. Но необходимо найти более экологичные и масштабируемые альтернативы охлаждению газа, как говорит Клаудио Касорла (Claudio Cazorla), материаловед из Университета Нового Южного Уэльса (The University of New South Wales), написавший независимый комментарий к исследованиям.
Когда ваш холодильник выйдет из употребления, газ, содержащийся в нём, будет выброшен в атмосферу.
Четыре этапа работы холодильника:
1) Газ нагревается при сжатии под давлением, превращаясь в жидкость.
2) При контакте с теплопоглотителем, например воздухом, он охлаждается до комнатной температуры.
3) Происходит декомпрессия жидкости, она становится холоднее комнатной температуры и поглощает тепло предметов, вступающих с ней в контакт.
4) Она снова испаряется в газ, и процесс начинается заново.
По оценкам специалистов, один килограмм хладагента вносит такой же вклад в парниковый эффект как две тонны углекислого газа (непрерывная работа автомобиля в течение шести месяцев).
«Газы также токсичны. Если соприкоснуться с ними, то могут возникнуть проблемы со здоровьем», — говорит доктор Касорла. — Более эффективные технологии охлаждения могут стимулировать разработку более быстрых и компактных компьютеров и электронных устройств. Микрочипы в процессорах нагреваются, и, из-за этого они не могут нормально работать. Но компрессия и декомпрессия газов не работают на микроуровне. Невозможно поставить холодильник внутри смарт-часов».
Таким образом, в течение последнего десятилетия учёные изучали потенциал полупроводниковых систем, использующих электрические или магнитные поля, или давление для создания охлаждающего эффекта.
Технология пластиковых кристаллов работает аналогично четырёхступенчатому методу охлаждения паром, но на атомном уровне. Вместо того чтобы превращать газ в жидкость, используется давление для изменения структуры пластикового кристалла. Пластиковые кристаллы состоят из молекул, расположенных в симметричной решётке.
Исследователи изучили, что происходит на микроскопическом уровне, используя нейтронный многофункциональный спектрометр Pelican, измеряющий движение атомов в молекулах, находящихся под давлением.
Прежде чем атомы окажутся под давлением, они случайным образом вращаются возле точек внутри кристаллической решётки. Но с увеличением давления атомы становятся высокоупорядоченными и выстраиваются в кристаллическую структуру. После того, как давление исчезает, структура возвращается в пластическую фазу, где атомы вращаются произвольно.
Способность к охлаждению обусловлена изменением энтропии между двумя состояниями.
Как и в обычном хладагенте, когда газ сжимается до жидкости, происходит переход от большой степени свободы в газе к меньшей в жидкости. Тут то же самое, только в твёрдом состоянии.
По мнению исследователей, охлаждающий эффект в 10 раз эффективнее, чем у других видов полупроводниковых материалов, использующих электрические или магнитные поля для получения охлаждающего эффекта.
Касорла говорит, что охлаждающий эффект, продемонстрированный кристаллической технологией, «очень впечатляющий» и мощность охлаждения сопоставима с таковой, достигаемой при помощи традиционных хладагентов. Всё идёт к тому, что вскоре будет получена усовершенствованная и более экологичная технология охлаждения.
Материал не только обладает хорошей охлаждающей способностью, но также его легко синтезировать из легкодоступных органических материалов, таких как водород, углерод и кислород. Но есть и существенный недостаток — кристалл должен выдерживать большое количество циклов охлаждения.
«Вы можете иметь хороший материал, дающий за один охлаждающий цикл хорошую производительность. Но в какой-то момент система начинает создавать дефекты и просто перестаёт работать, — говорит Касорла. — В отличие от газа, когда цикл может повторяться бесконечно, кристаллические решётки деформируются с течением времени. Пластиковые кристаллы могут довольно существенно изменять своё состояние под давлением и не выдержат большое количество циклов охлаждения. Они очень легко поддаются воздействию, поэтому неустойчивы».
Технология протестирована только в один или в два цикла, чтобы понять физику, лежащую в основе охлаждающего эффекта. Это составляет инженерную проблему, подлежащую решению, потому что никто не будет покупать холодильник, который перестанет работать через 1000 циклов.
Доктор Юй заключает: «Мы понимаем процесс с точки зрения физики. Следующая проблема в том, чтобы инженеры превратили его в настоящий механизм».
