Účinná klimatizace šetrná k životnímu prostředí. Zajímavé řešení z Harvardu

Datum 24.07.2022

Nový mechanismus (na obrázku) by mohl nahradit tradiční technologii chlazení kompresí par, která se od počátku 20. století v podstatě nezměnila. Foto: Jon Chase/Harvard

Vědci z katedry chemie a chemické biologie na Harvardu vyvinuli ekologicky šetrný mechanismus umožňující chlazení v pevném stavu pomocí dvourozměrných perovskitů. Jejich výsledky jsou popsány v nové studii v časopise Nature Communications.

“Odklon od systémů s kompresí par, které se používají již opravdu dlouhou dobu, je zásadní součástí celkového úsilí o udržitelnější budoucnost,” řekl Jarad Mason, hlavní autor článku a odborný asistent katedry chemie a chemické biologie. “Zaměřili jsme se na hlubší zkoumání vnitřních vlastností těchto materiálů, abychom zjistili, co je možné z hlediska chlazení v pevné fázi jako udržitelné alternativy.”

Odborný asistent Jarad Mason (vlevo) a spoluautor Jinyoung Seo vyvinuli novou třídu pevnolátkových chladiv, která by mohla umožnit energeticky účinné chlazení bez emisí. Foto: Jon Chase/Harvard

Dvourozměrné perovskity, známé také jako barokalorické materiály, uvolňují a pohlcují teplo v reakci na změny tlaku při jejich rozpínání a smršťování. Tyto materiály uvolňují teplo, když jsou pod tlakem nebo v napětí. Aniž by se uvolňovaly škodlivé emise, může tento mechanismus odvádět teplo v pevném stavu pomocí nízkých hnacích tlaků. Tento nový mechanismus chlazení v pevné fázi má potenciál překonat omezení tradiční technologie chlazení kompresí par, která se od počátku 20. století v podstatě nezměnila.

Jakýkoli druh chladicího systému probíhá v cyklu od stavu s nízkou entropií, kdy materiál může absorbovat teplo, a tím ochlazovat prostor, do stavu s vysokou entropií, kdy se tato energie může uvolnit v chladiči, kde se rozptýlí. Klimatizátory s kompresí par cirkulují těkavou kapalinou, která se odpařuje a kondenzuje pod různým tlakem přes kovové cívky, aby ochladila uzavřený prostor a vyvedla teplo ven. Provoz parotěsných cyklů je energeticky náročný a v současné době představuje téměř 20 % spotřeby elektrické energie v budovách po celém světě. Kromě toho jsou unikající chladiva více než tisíckrát silnějšími skleníkovými plyny než oxid uhličitý.

Tým označil dvojrozměrné perovskity za ideální náhradu, protože u nich dochází k fázovým přechodům, které lze řídit reverzibilně za minimálního tlaku, a přitom zůstávají v pevném stavu; čím více může materiál měnit svou entropii, tím efektivnější může být pro provozování chladicích cyklů. Vzhledem k tomu, že organické dvojvrstvy jsou schopny podstupovat velké změny entropie, když jejich uhlovodíkové řetězce přecházejí mezi uspořádanými a neuspořádanými stavy, tým předpokládal, že dvojrozměrné perovskity by mohly sloužit jako vysoce laditelný chladicí materiál v pevném stavu, který by mohl pracovat při nižších tlacích, než se předpokládalo.

Tým tyto materiály syntetizoval ve své laboratoři a testoval je ve vysokotlakém kalorimetru, aby změřil změny tepelného toku v materiálu při různých tlacích a teplotách. Tyto experimenty odhalily, kolik tepla lze v potenciálním chladicím cyklu odvést a jaký tlak je potřeba k reverzibilnímu pohonu cyklu.

“Jakmile jsme začali materiál testovat, zjistili jsme, že můžeme odvést velmi velké množství tepla při velmi malé změně tlaku,” řekl Mason. “Od té chvíle jsme věděli, že tu bude něco zajímavého.”

Masonova laboratoř dále plánuje vytvořit prototyp barokalorického chladicího zařízení a zároveň pokračovat ve zkoumání potenciálního využití různých materiálů. Výsledky výzkumu můžou mít obrovský dopad na snížení spotřeby světové energie, téměř 4400 TWh elektřiny – 20 % celkové spotřeby na světě – se každoročně spotřebuje na chlazení chladniček, klimatizací a tepelných čerpadel, podle zprávy v Nature Comunications.

Richard Pappen
zdroj: Nature Communications

Steinel 700 x 200 px

Napsat komentář