Американские физики продемонстрировали принципиально новый метод для охлаждения, который был ими назван ионокалорическим эффектом. Данный новый эффект основан на управляемом плавлении и кристаллизации рабочего тела с помощью быстрого изменения концентрации ионов соли под воздействием электрического напряжения. Прототип данного устройства, реализующего ионокалорический эффект, достиг диапазона рабочих температур 26 градусов Цельсия, демонстрируя КПД в размере 29% от максимального теоретического КПД цикла Карно. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Science. Несмотря на повсеместное использование холодильников в современном мире, традиционная технология парокомпрессионного цикла, основанная на фазовых переходах хладагента, сохраняет свою актуальность.
Проблема этого подхода в том, что фреоны, чаще всего используемые в качестве хладагентов, довольно неэкологичны. Даже относительно безопасные для озонового слоя гидрофторуглероды — фреоны без содержания хлора — обладают потенциалом глобального потепления, в 2000 раз превышающий таковой у углекислого газа.
В качестве одного из решений этой проблемы ученые рассматривают применение калорических материалов. Так называют твердотельные материалы, демонстрирующие температурный отклик на приложение электрических или магнитных полей, давления или напряжения. Несмотря на существующие успехи, такой подход пока уступает традиционному парокомпрессионному циклу, как с точки зрения глубины охлаждения, так и с точки зрения эффективности.
Возможно, ситуация скоро изменится благодаря усилиям Дрю Лилли и Рави Прашера из Калифорнийского университета в Беркли. Команда физиков нашла материалы, которые обеспечивают новый калорический эффект, демонстрирующий конкурентноспособные параметры охлаждения. Он основан на плавлении твердотельного материала за счет растворения в нем ионов соли, благодаря чему получил название ионокалорического эффекта.
Подобные процессы относятся к энтропийным реакциям, возникающим как отклик сопряженной энергетической переменной. В роли нее, например, выступает выравнивание электрических (поляризуемость) или магнитных (намагниченность) диполей в случае электрического или магнитного калорического эффекта. В ионокалорическом эффекте изменение энтропии основано на смешивании частиц. В этом случае сопряженная переменная — это электрохимический потенциал, зависящий от концентрации ионов соли. Управлять концентрацией солей, в свою очередь, можно с помощью температуры, давления или электрического поля.
Авторы остановили свой выбор на последнем варианте. В роли растворителя в их эксперименте выступил этиленкарбонат, а в роли соли — йодид натрия. Температура плавления чистого этиленкарбоната равна 35 градусам Цельсия. Смешивание его с солью снижает этот параметр. Начиная с некоторого момента, жидкая фаза становится предпочтительнее для растворителя, и он плавится, что сопровождается понижением температуры, определяемым удельной теплотой плавления.
Для замыкания цикла физикам потребовалось опреснить растворитель. Для этого они прикладывали напряжение, отделяя ионы соли через пермселективные ионообменные мембраны. Примечательно, что для этого потребовалось небольшое напряжение — 0,22 вольта, что стало ключом к достижению высокой эффективности охлаждения. В опытах она достигла 29 процентов от КПД цикла Карно, а диапазон рабочих температуры оказался равен 26 градусам.
Схема цикла работы нового охладителя, включающего четыре этапа: разделение, кристаллизацию, смешивание и плавление. Drew Lilley and Ravi Prasher / Science
Главным недостатком новой технологии оказалась низкая мощность охлаждения, приводящая к небольшой скорости работы. В опыте физиков она достигла 5,75 ватта на литр. Такое ограничение возникло из-за проводимости мембран, ограниченной 0,5 миллиамперами на квадратный сантиметр. Авторы полагают, что применение материалов, используемых в проточных ванадиевых редокс-батареях на водной основе с пропускной способностью 800 миллиампер на квадратный сантиметр, позволит повысить мощность охлаждения до 9,2 киловатта на литр.
Теоретический предел эффективности классического теплового двигателя определен законами термодинамики. Квантовая механика, однако, способна раздвинуть эти границы.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
