Скажіть привіт іонокалорійному охолодженню — це новий спосіб зниження температури, який може замінити традиційні методи охолодження, зробивши процес безпечнішим і екологічнішим.
Зазвичай системи охолодження працюють за принципом, коли рідина поглинає тепло, випаровуючись у газ. Потім цей газ переміщується замкненим контуром і знову конденсується в рідину, відводячи тепло від охолоджуваного простору.
Хоча цей процес є ефективним, багато холодоагентів, що використовуються сьогодні, надзвичайно шкідливі для довкілля. Але існують й інші способи змусити речовину поглинати або віддавати тепло.
Метод, представлений у 2023 році дослідниками з Лабораторії Лоуренса Берклі та Каліфорнійського університету в Берклі, ґрунтується на тому, що зміна фази матеріалу (наприклад, коли лід плавиться у воду) супроводжується виділенням або поглинанням енергії.
Якщо нагріти шматок льоду — він розтане, поглинаючи тепло з навколишнього середовища, тим самим охолоджуючи його. Але змусити лід розтанути можна і без підвищення температури — достатньо додати кілька заряджених частинок, тобто іонів. Класичний приклад — посипання доріг сіллю, щоб запобігти утворенню льоду.
Саме цей принцип і використовує іонокалоричний цикл: він застосовує сіль, щоб змінювати фазу рідини та знижувати температуру довкола.
«Сфера холодоагентів досі залишається нерозв’язаною проблемою», — каже механічний інженер Дрю Ліллі з Лабораторії Лоуренса Берклі.
«Нікому ще не вдалося створити альтернативу, яка б ефективно охолоджувала, була безпечною й не шкодила природі. Ми вважаємо, що іонокалоричний цикл може задовольнити всі ці вимоги, якщо його реалізувати правильно».
Дослідники змоделювали теорію іонокалоричного циклу, щоб показати, що він може конкурувати за ефективністю з сучасними холодоагентами або навіть перевершити їх. У системі електричний струм рухає іони, змінюючи температуру плавлення матеріалу й, відповідно, температуру середовища.
В експерименті команда використала сіль із йоду та натрію, щоб розплавити етиленкарбонат — органічний розчинник, який застосовується в літій-іонних батареях і виробляється з використанням вуглекислого газу. Це означає, що система може бути не просто з нульовим потенціалом глобального потепління (GWP), а навіть негативним.
У ході досліду зміна температури на 25°C (45°F) була досягнута при напрузі менш ніж 1 вольт — це результат, який перевищує показники всіх інших відомих калоричних технологій.
«Ми намагаємося знайти баланс між трьома речами: GWP холодоагенту, енергоефективністю та вартістю обладнання», — пояснює інженер Раві Прашер з тієї ж лабораторії. «І вже з першої спроби наші дані виглядають дуже обнадійливо за всіма трьома критеріями».
Нинішні системи охолодження, що працюють на парокомпресії, використовують гази з високим GWP, наприклад гідрофторвуглеці (HFCs).
Країни, що підписали Кігалійську поправку, зобов’язалися скоротити виробництво та споживання HFC щонайменше на 80% протягом наступних 25 років — і саме іонокалоричне охолодження може відіграти ключову роль у цьому процесі.
Тепер дослідникам потрібно вивести технологію з лабораторії та створити комерційні системи, які можна буде масштабувати без технічних ускладнень. У майбутньому їх можна буде використовувати не лише для охолодження, а й для обігріву.
Дослідження, опубліковані у 2025 році міжнародною командою вчених, показали ефективну версію системи на основі нітратних солей, які регенеруються електричними полями та мембранами.
Саме цього й очікував Прашер зі своєю командою:
«Ми створили абсолютно новий термодинамічний цикл і концепцію, що об’єднує ідеї з різних галузей, і довели, що це працює», — сказав Прашер. «Тепер настав час експериментів, щоб випробувати різні комбінації матеріалів і методів для вирішення інженерних викликів».
Поточні дослідження полягають в експериментуванні з різними солями, щоб з’ясувати, які комбінації можуть бути найефективнішими для відведення тепла з простору. У 2025 році міжнародна команда дослідників опублікувала результати свого дослідження високоефективної версії з використанням солей на основі нітратів, які були перероблені за допомогою електричних полів та мембран. Дослідження було опубліковано в журналі Science.