Ionokalorisk køling gør en ny type køleskab

En ny kølemetode kaldet "ionokalorisk køling" kan en dag erstatte traditionelle systemer baseret på dampkompression, hvilket reducerer behovet for gasser, der skader Jordens atmosfære og bidrager til klimaændringer. Metoden, der er udviklet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i USA, udnytter de måder, hvorpå energi lagres eller frigives, når et materiale skifter fase, såsom fra et fast stof til et flydende eller omvendt.

Konventionelle køleskabe og klimaanlæg er designet til at bruge flygtige hydrofluorcarboner, som er ekstremt kraftige drivhusgasser med et globalt opvarmningspotentiale (GWP) 2000 gange større end kuldioxid. I sådanne systemer pumpes kølemidlet rundt i et lukket kredsløb, hvor det gennemgår en faseændring fra en væske til en gas og derefter tilbage til en væske. Overgangen til en gas indebærer en udvidelse og kræver energi, som kølemidlet henter ved at køle omgivelserne på sin "kolde" side. Derefter frigives varme på den "varme" side, når væsken kondenserer tilbage til en væske.

Denne standardcyklus kan også anvendes på andre stoffer, der på samme måde gennemgår en faseovergang, der involverer absorption og udledning af varme. Disse alternative stoffer omfatter elektrokaloriske og magnetokaloriske materialer, som skifter mellem to faste faser i nærvær af påførte elektriske eller magnetiske felter. Ulempen er, at opvarmnings- og afkølingsevnerne af elektrokaloriske og magnetokaloriske kølemidler er relativt beskedne, hvilket fører til kølecyklusser, der er ineffektive til udbredt praktisk brug.

En tredje mulighed er at bruge den barokaloriske effekt, som opstår, når materialet, der komprimeres og udvides, er et fast stof i stedet for en væske eller gas. For de fleste barokaloriske materialer er denne effekt dog meget lille ved omgivende temperaturer og tryk.

En helt ny kalorieeffekt

Den nye teknik opfundet af Drew Lilley , Ravi Prasher hos LBNL gør brug af en helt anden kalorieeffekt. Det virker ved at tilsætte salt til et fast stof, hvilket får det faste til at "ønske" at være en væske på samme måde som at tilsætte salt på en kold, iset vej forvandler isen til sjap.

"For at blive en væske, skal det faste stof smelte, hvilket betyder, at det skal absorbere energi," forklarer Lilley. "Hvis du forhindrer det faste stof i at absorbere energi fra dets omgivelser, vil det 'stjæle' energi fra sig selv, så hele materialet køles ned (se trin 1 til 2 på billedet ovenfor). Når det er kølet ned, kan det faste stof fortsætte med at smelte, men ved en lavere temperatur, og absorberer energi fra omgivelserne. Dette fører til nedkøling (trin 2 til 3 i diagrammet)."

Lilley fortsætter med at forklare, at mekanismen for fase- og temperaturændringen i denne "ionokaloriske" cyklus er strømmen af ​​elektrisk ladede atomer eller molekyler - ioner - når en strøm påføres systemet. Hvis ionerne senere fjernes fra væsken, der indeholder opløst salt (trin 3 til 4 i diagrammet), opstår den omvendte effekt: Stoffet "ønsker" ikke længere at være en væske, så det bliver et fast stof. For at gøre det skal den krystallisere og frigive energi, men hvis den forhindres i at udveksle energi med sine omgivelser, vil den i stedet frigive energien til sig selv og varme op. Når den er opvarmet, vil den fortsætte med at frigive energi ved at krystallisere og afgive denne varme til omgivelserne.

I en række eksperimenter designet til at teste køleegenskaberne ved denne opløsningsmiddel-saltblandingsproces fandt Lilley og Prasher, at temperaturen faldt med op til 28 °C ved brug af mindre end 1 V påført strøm. De observerede også variationer i entropi (den fysiske enhed brugt til at estimere effektiviteten af ​​et køleprincip) så store som 500 J K^-1 kg^-1. Dette er større end variationerne observeret i magnetokaloriske og elektrokaloriske materialer og svarer til variationerne for det bedste barokaloriske materiale (plastikkrystaller af neopentylglycol). Det kan også sammenlignes med nutidens kølemidler.

En langsom, salt cyklus

Saltet, forskerne brugte, er lavet af jod og natrium, og de blandede det med ethylencarbonat - et almindeligt organisk opløsningsmiddel, der i øvrigt er et almindeligt tilsætningsstof i lithium-ion batterielektrolytter. Den resulterende blanding af ethylencarbonat-natriumiodid (EC-NaI) er, siger de, CO2-negativ, miljøvenlig, ikke-farlig, nul-GWP, ugiftig og ikke-brændbar.

Nanolubricant gør husholdningskøleskabe mere effektive

"Vores teknologi er bæredygtig [og] anvender ikke ekstreme felter - vi behøver kun at anvende omkring 1 V," fortæller Lilley Fysik verden. Han tilføjer, at effektiviteten af ​​prototypesystemet i deres eksperiment er "fire til fem gange større end nogen tidligere prototyper, der anvender faststofmaterialer" og udviser "effekttætheder, der konkurrerer med dampkompression".

Den største ulempe ved ionokalorisk køling er dens langsomme hastighed. Ifølge Lilley og Prasher, som udgav deres arbejde i Videnskab, kan en enkelt cyklus tage mellem fem minutter og flere timer. Ikke desto mindre, Emmanuel Defay, en forsker på Luxembourg Institut for Videnskab og Teknologi som ikke var involveret i arbejdet, er imponeret over potentialet i dette nye medlem af kaloriematerialefamilien. "Det udviser stor effektivitet og kan være miljøvenligt," skriver han i en relateret Perspektiver artikel. "Dette er en seriøs udfordrer for fremtidens køling."

LBNL-forskernes næste skridt bliver at starte en virksomhed, der skal kommercialisere deres teknologi. "Forhåbentlig vil vores tilgang have en reel indvirkning på at forbedre køling og varmepumpning gennem effektivitetsgevinster og dekarbonisering af kølemidler," siger Lilley.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/ionocaloric-cooling-makes-a-new-type-of-refrigerator/