Китайски изследователски екип успя да преодолее дългогодишно затруднение в хладилната технология, като въведе нов метод за охлаждане, който обещава ниски въглеродни емисии, висок капацитет на охлаждане и ефективен топлопренос.
Проучването, публикувано наскоро в списание Nature, се занимава с нарастващото потребление на енергия и предизвикателствата, свързани с разсейването на топлината, които съпътстват бързото развитие на изчислителната мощност, ключов компонент в ерата на цифровата икономика.
Съвременното общество силно разчита на охлаждане, от консервиране на храна до охлаждане на центрове за данни. Традиционните системи за охлаждане с компресия на пара обаче са свързани със високи разходи за околната среда и електроенергия. В Китай хладилните технологии съставляват около 2 процента от БВП, като същевременно консумират почти 20 процента от електричеството на страната и генерират 7,8 процента от въглеродните емисии.
Охлаждането в твърдо състояние отдавна се счита за по-чиста алтернатива, тъй като избягва използването на базирани на флуоровъглерод хладилни агенти, които вредят на околната среда. Твърдите материали обаче се борят с ефективността на пренос на топлина, което ограничава практическото им използване в широкомащабни приложения.
Изследователският екип, ръководен от професор Ли Бинг от Института за изследване на метали към Китайската академия на науките, откри начин да заобиколи това ограничение чрез интегриране на охлаждащи ефекти на твърдо вещество с течен поток.
В своето изследване на солта амониев тиоцианат – широко използван нетоксичен индустриален материал – изследователите наблюдават, че разтварянето на солта във вода абсорбира огромни количества топлина. Чрез прилагане на натиск процесът се обръща, което води до утаяване на солта и освобождаване на голямо количество топлина. Този обратим цикъл позволява непрекъснато охлаждане, тъй като налягането се прилага и освобождава алтернативно, което го прави идеален механизъм за хладилни системи.
„За разлика от традиционните методи за охлаждане в твърдо състояние, при които топлината се бори да премине през материалните граници, нашият подход интегрира хладилния агент и топлопреносната среда в един флуид, улеснявайки топлопроводимостта и системната интеграция“, каза Ли. Този подход разрешава това, което учените описаха като „невъзможния триъгълник“ от калорични материали, като осигурява едновременно ниски емисии, висока мощност на охлаждане и ефективен топлопренос.
Лабораторните експерименти показаха отлично представяне. При стайна температура методът постигна спад на температурата от близо 30 C само за 20 секунди, докато при по-високи температури диапазонът на охлаждане достигна до 54 C, което далеч надвишава това на съществуващите калорични материали в твърдо състояние.
В определен прототип на цикъл на охлаждане, симулациите предполагат капацитет на охлаждане от 67 джаула на грам и ефективност, приближаваща се до 77 процента, демонстрирайки потенциал за инженерни приложения. Освен това спектроскопските експерименти на място доказаха стабилността на процеса, обратимостта и незабавната реакция на промените в налягането – ключови изисквания за практически хладилни системи.
„Тази технология надхвърля традиционните принципи на охлаждане, базирани на различни фазови преходи. Чрез превръщането на „охлаждащата течност“ във течност, която може да се изпомпва директно през топлообменници, тя проправя пътя за комерсиализацията на мощни хладилни системи с нулеви емисии за промишлена и домашна употреба“, каза Ли.
„Това може да вдъхнови разширяването на този принцип към други химикали, позволявайки разработването на персонализирани калорични свойства, подходящи за различни температурни диапазони и охлаждащи мощности“, каза той. „Въпреки това са необходими допълнителни усилия за практическо приложение, като пробиви в инженерните бързи и обратими фазови преходи, настроени на налягане.“
Той подчерта, че отличната производителност на технологията при високи температури я прави „идеален кандидат за взискателните изисквания за управление на топлината на следващото поколение изчислителни центрове с изкуствен интелект“. Очаква се тези центрове да видят скок в търсенето на охлаждане заедно с развитието на все по-мощни технологии като квантово изчисление и триизмерни подредени чипове.
Нашия източник е Българо-Китайска Търговско-промишлена палaта