Холодоагент техніки, що вийшла з експлуатації, завдає шкоди навколишньому середовищу.
Технологія, що лежить в основі роботи холодильників і існує з XIX століття, змінила наш спосіб життя. Але людство в майбутньому має знайти більш екологічні способи зберігати їжу в холоді, і вчені вже підходять до вирішення цієї проблеми. Ідея полягає в тому, щоб замінити парникові гази твердими матеріалами, які можуть бути використані не тільки в холодильниках і кондиціонерах, але і в електронних пристроях. Міжнародна група вчених на чолі з Бін Лі (Bing Li) з Китайської академії наук (кит. 中国科学院), виявила, що кристали пластику під назвою неопентилгліколь якраз можуть виконати подібне завдання.
Компресія і декомпресія молекул всередині кристала можуть дати істотний охолоджувальний ефект, повідомляють вони в журналі Nature.
«Один цикл призведе до перепаду температури в приміщенні на 50 градусів, навіть при невеликому тиску, - говорить співавтор дослідження Дехон Юй (Dehong Yu) з Австралійської організації з ядерної науки і технології (Australia's Nuclear Science and Technology Organisation, ANSTO). - Це прекрасний приклад того, як фундаментальна річ, щоб застосовуватися до того, що є».
Від 25% до 30% світової електроенергії використовується для охолодження. Ваш холодильник або кондиціонер заснований на компресії і декомпресії газів. Але необхідно знайти більш екологічні та масштабовані альтернативи охолодженню газу, як каже Клаудіо Касорла (Claudio Cazorla), матеріалознавець з Університету Нового Південного Уельсу (The University of New South Wales), який написав незалежний коментар до досліджень.
Коли ваш холодильник вийде з вживання, газ, що міститься в ньому, буде викинутий в атмосферу.
Чотири етапи роботи холодильника:
1) Газ нагрівається при стисненні під тиском, перетворюючись на рідину.
2) При контакті з теплопоглотителем, наприклад повітрям, він охолоджується до кімнатної температури.
3) Відбувається декомпресія рідини, вона стає холоднішою за кімнатну температуру і поглинає тепло предметів, що вступають з нею в контакт.
4) Вона знову випаровується в газ, і процес починається заново.
За оцінками фахівців, один кілограм холодоагенту робить такий же внесок у парниковий ефект як дві тонни вуглекислого газу (безперервна робота автомобіля протягом шести місяців).
"Гази також токсичні. Якщо стикнутися з ними, то можуть виникнути проблеми зі здоров'ям ", - говорить доктор Касорла. - Більш ефективні технології охолодження можуть стимулювати розробку більш швидких і компактних комп'ютерів та електронних пристроїв. Мікрочіпи в процесорах нагріваються, і, через це вони не можуть нормально працювати. Але компресія і декомпресія газів не працюють на мікрорівні. Неможливо поставити холодильник всередині смарт-годинника ".
Таким чином, протягом останнього десятиліття вчені вивчали потенціал напівпровідникових систем, що використовують електричні або магнітні поля, або тиск для створення охолоджувального ефекту.
Технологія пластикових кристалів працює аналогічно чотириступеневому методу охолодження пором, але на атомному рівні. Замість того щоб перетворювати газ на рідину, використовується тиск для зміни структури пластикового кристала. Пластикові кристали складаються з молекул, розташованих в симетричній решітці.
Дослідники вивчили, що відбувається на мікроскопічному рівні, використовуючи нейтронний багатофункціональний спектрометр Pelican, що вимірює рух атомів в молекулах, що знаходяться під тиском.
Перш ніж атоми опиняться під тиском, вони випадково обертаються біля точок всередині кристалічної решітки. Але зі збільшенням тиску атоми стають високоупорядкованими і шикуються в кристалічну структуру. Після того, як тиск зникає, структура повертається в пластичну фазу, де атоми обертаються довільно.
Здатність до охолодження обумовлена зміною ентропії між двома станами.
Як і в звичайному холодоагенті, коли газ стискається до рідини, відбувається перехід від великої міри свободи в газі до меншої в рідині. Тут те ж саме, тільки в твердому стані.
На думку дослідників, охолоджуючий ефект у 10 разів ефективніший, ніж у інших видів напівпровідникових матеріалів, що використовують електричні або магнітні поля для отримання охолоджувального ефекту.
Касорла каже, що охолоджувальний ефект, продемонстрований кристалічною технологією, «дуже вражаючий» і потужність охолодження порівнянна з такою, що досягається за допомогою традиційних холодоагентів. Все йде до того, що незабаром буде отримана вдосконалена і більш екологічна технологія охолодження.
Матеріал не тільки має хорошу охолоджувальну здатність, але також його легко синтезувати з легкодоступних органічних матеріалів, таких як водень, вуглець і кисень. Але є й істотний недолік - кристал повинен витримувати велику кількість циклів охолодження.
"Ви можете мати хороший матеріал, що дає за один охолоджуючий цикл хорошу продуктивність. Але в якийсь момент система починає створювати дефекти і просто перестає працювати, - каже Касорла. - На відміну від газу, коли цикл може повторюватися нескінченно, кристалічні решітки деформуються з плином часу. Пластикові кристали можуть досить істотно змінювати свій стан під тиском і не витримають велику кількість циклів охолодження. Вони дуже легко піддаються впливу, тому нестійкі ".
Технологія протестована тільки в один або в два цикли, щоб зрозуміти фізику, що лежить в основі охолоджуючого ефекту. Це становить інженерну проблему, що підлягає вирішенню, тому що ніхто не буде купувати холодильник, який перестане працювати через 1000 циклів.
Доктор Юй підсумовує: "Ми розуміємо процес з точки зору фізики. Наступна проблема в тому, щоб інженери перетворили його на справжній механізм ".