Холодильники и кондиционеры стали неотъемлемой частью повседневной жизни, но их скрытая проблема в том, что они наносят ущерб климату. Современные хладагенты содержат вещества с высоким потенциалом глобального потепления (ПГП), и страны, подписавшие Кигалийскую поправку, уже обязались сократить их использование на 80 % в ближайшие десятилетия.
Недавно группа исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли предложила принципиально иной метод охлаждения. Эта технология, опубликованная в журнале Science, получила название ионокалорическое охлаждение.
Вместо традиционного цикла сжатия и испарения газов новая технология использует фазовые переходы материалов под действием ионов.
Когда лёд превращается в воду, он поглощает тепло из окружающей среды. Учёные нашли способ управлять этим процессом без изменения температуры — за счёт ионов, которые сдвигают точку плавления вещества.
"Проблема хладагентов остаётся нерешённой", — сказал инженер-механик Дрю Лилли из Национальной лаборатории в Беркли.
Вместо опасных газов система применяет соли, которые перемещаются в растворе под воздействием слабого электрического тока.
| Характеристика | Сжатие паров | Ионокалорический цикл |
|---|---|---|
| Рабочие вещества | Газы (ГФУ) | Растворы солей |
| Влияние на климат | Высокий ПГП | Нейтральный или отрицательный ПГП |
| Эффективность | Высокая | Потенциально выше |
| Экологичность | Низкая | Высокая |
Команда использовала соль на основе йода и натрия для плавления этиленкарбоната — вещества, которое применяется в литий-ионных аккумуляторах и производится из углекислого газа.
При подаче заряда менее 1 вольта температура изменилась на 25 °C. Это превосходит показатели многих других тепловых технологий.
"Мы считаем, что ионокалорический цикл может соответствовать всем требованиям, если его правильно реализовать", — отметил Лилли.
По словам инженера-механика Рави Прашера, ключевая цель — сбалансировать три фактора: низкий ПГП, энергоэффективность и доступность оборудования.
"С первого взгляда наши данные выглядят многообещающе по всем трём аспектам", — сказал Прашер.
Учёные предполагают, что системы на основе ионокалорического эффекта можно будет использовать не только для охлаждения, но и для обогрева помещений.
Разработать лабораторные прототипы на основе этиленкарбоната.
Протестировать различные комбинации солей и органических растворителей.
Сравнить эффективность с современными системами на ГФУ.
Создать пилотные образцы бытовых и промышленных установок.
Масштабировать производство при поддержке программ по климату.
Ошибка: игнорировать воздействие хладагентов на климат.
→ Последствие: рост выбросов с высоким ПГП.
→ Альтернатива: внедрение ионокалорической технологии.
Ошибка: использовать только классические газы.
→ Последствие: ограниченные возможности инноваций.
→ Альтернатива: комбинация фазовых переходов и электролитов.
Ошибка: недооценивать роль углекислого газа как сырья.
→ Последствие: упущенный шанс снизить углеродный след.
→ Альтернатива: использование CO₂ в синтезе этиленкарбоната.
А что если ионокалорические холодильники появятся в каждом доме? Это позволит отказаться от ГФУ, снизить нагрузку на климат и открыть новые возможности в бытовой технике и промышленности.
| Плюсы | Минусы |
|---|---|
| Экологичность | Пока на уровне лабораторных прототипов |
| Высокая энергоэффективность | Нужны новые инженерные решения |
| Доступные материалы | Технология требует масштабирования |
| Возможность обогрева и охлаждения | Стоимость внедрения на старте выше |
Что такое ионокалорическое охлаждение?
Это метод, при котором охлаждение достигается за счёт перемещения ионов и изменения фазового состояния вещества.
Чем он лучше обычных холодильников?
Вместо газов с высоким ПГП используются соли и органические растворители, что безопаснее для климата.
Когда появятся такие устройства?
Пока технология находится в стадии лабораторных исследований, но учёные считают её перспективной для массового применения.
Миф: новые методы охлаждения менее эффективны.
Правда: ионокалорический цикл показал перепад температуры до 25 °C.
Миф: заменить ГФУ невозможно.
Правда: технология на солях и растворах может стать устойчивой альтернативой.
Миф: новые системы будут слишком дорогими.
Правда: при масштабировании цена снизится, а выгода для климата окупит расходы.
Этиленкарбонат в системе производится из CO₂, что делает процесс "углеродно отрицательным".
Для изменения температуры на 25 °C потребовалось менее 1 вольта.
Ионокалорический цикл объединяет элементы из химии, термодинамики и электротехники.
Традиционные методы охлаждения развивались с конца XIX века и стали символом индустриализации. Но вместе с комфортом они принесли и экологические угрозы. Подписанная в 2016 году Кигалийская поправка стала толчком к поиску альтернатив. Ионокалорический цикл, предложенный в Беркли, стал одной из первых реальных замен, сочетающих эффективность и экологичность.
"У нас есть совершенно новый термодинамический цикл, и мы показали, что это может работать", — подчеркнул Прашер.
Теперь главная задача учёных — перевести лабораторные эксперименты в практические устройства, которые смогут изменить рынок охлаждения и обогрева.