När temperaturen stiger, luftkonditioneringsapparater slås på. Kylning kräver mycket energi – vilket belastar elnäten och ökar utsläppen i länder som fortfarande är beroende av fossila bränslen.

Nästan 20 % av elen som används i världen används för att kyla byggnader. Lämnas omarkerad, denna siffra kan tredubblas till 2035. En lösning:utveckla teknologier för att göra kylningen mer effektiv.

Forskare från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) utvecklar en alternativ kylteknik som använder adsorption (med ett "d") - fästning och frigöring av köldmedieföreningar av ett adsorberande material. På jakt efter olika nanoporösa material som adsorbenter, forskare vände sig till kovalenta organiska polymerer (COP). COP kan adsorbera tre gånger mer köldmedium än de bästa tillgängliga alternativen, vilket ger effektivare kylning.

Men historien om hur denna upptäckt nyligen kom till är lite oväntad. Små defekter i materialet ökade adsorptionen på ett perfekt imperfekt sätt.

"Det var ovanligt - du vet? Vi visste att något oförklarligt hände med våra resultat, men var inte riktigt säker på varför, sade Radha Motkuri, en PNNL kemiingenjör som ledde studien, som valdes ut som en HET artikel och bland de 10 % bästa publikationerna i Angewandte Chemie .

Effektivare kylning … av misstag

Några av världens stora upptäckter gjordes av en slump, som nylon, uppfinningen av mikrovågor, eller till och med spricksäkert glas. När det gäller kylning, några små fel ledde till stora insikter.

Under det senaste decenniet, Pete McGrail, en PNNL Laboratory Fellow, och Motkuri, tillsammans med sitt team, har studerat material som är mer effektiva för att adsorbera vanliga köldmedier som används i deras adsorptionskylningsteknik. De har gjort stora framsteg när det gäller att konstruera olika typer av porösa material som är värd för köldmedier. Men de trodde att det kunde finnas outforskad potential i andra nanoporösa material, inklusive COP.

"När klimatfrågorna fortsätter att växa, hitta sätt att minska energiförbrukningen, genom alternativ och effektivare kylning, är ett absolut måste, ", sa McGrail. "Denna forskning bygger på vår 2017 R&D 100-prisbelönta kylteknik."

Polymerer används i alla samhällsskikt, från schampon till rymddräkter. De kan kombineras med andra element för att tjäna olika syften - när de kombineras med kol, till exempel, de kan förvandlas till polyester och nylon.

Teamet testade 23 olika COP för att se deras potential för adsorptionskylning eller kylning. Mest platå med låg adsorptionskapacitet, vilket betyder att de inte kunde adsorbera längre och var maxade. Men, två gjorde det inte – adsorptionen ökade. Och fortsatte att klättra.

"Vi trodde att något var fel med instrumentet när vi testade adsorptionskapaciteten. Hastigheterna var mycket högre än vi förväntade oss, sa Motkuri.

Så, de försökte igen. De fick samma resultat. Två föreningar, kallas COP-2 och COP-3, hade skyhög adsorptionskapacitet. De var så höga att det var över vad forskarna förväntade sig. Så, Motkuri nådde en kollaboratör i Frankrike, Guillaume Maurin vid universitetet i Montpellier, med expertis inom molekylära simuleringar för att förutsäga adsorptionen av dessa två polymerer.

Som en slinky, COP-2 och COP-3 är kemiska ringar av kol och kväve, alla staplade ihop. De var tvungna att packa upp varje lager för att se hur det påverkade adsorptionen.

Konstigt, de simulerade COP-2- och COP-3-strukturmodellerna ledde inte till adsorptionsnivåer de såg vid labbbänken. I simuleringarna, adsorptionsplatån. I labbet, dock, den klättrade exponentiellt.

"Det var då vi insåg att något annat var på gång, sade Motkuri. Och, vårt team hade en idé." Baserat på tidigare arbete, forskarna visste att små defekter spelar en intressant roll vid adsorption. "Tänk om vi lade till defekter i dessa COP-strukturmodeller i simuleringen?"

Defekter som är allt annat än defekta

Maurin och hans team använde simuleringar för att skapa små hål, eller defekter, i materialet genom att ta bort några av de kemiska egenskaperna från ringarna.

"Det var då vi såg något magiskt hända, sade Motkuri. Adsorptionen ökade, och adsorptionen för de mycket defekta polymererna i linje med labbresultaten.

De fann att strategiska defekter förbättrar adsorptionen i COP, vilket förklarade de ökade priserna de såg i labbet.

"Två av COP:erna vi testade i labbet hade defekter till att börja med, sade Maurin. Ibland löser det sig, även när det är lite oväntat."

Varför är effektiv kyla så viktig för klimatet?

Kylning är inte bara för komfort en varm sommardag. Extrem värme är en dödlig hälsorisk. Med stigande globala temperaturer, vissa befolkade regioner kan bli för varma för att vara beboeliga vissa delar av året.

Dessutom, framtida kraftbehov förväntas stiga, och luftkonditionering tar redan mycket energi. Under 2019, 8,5 % av USA:s elförbrukning kom från luftkonditioneringsapparater, enligt Internationella energibyrån. Över hela världen, elnät kan bli överväldigade när antalet kylsystem ökar, befolkningen växer, och inkomsterna ökar, gör det möjligt för fler att ha råd med luftkonditionering.

Detta blir särskilt viktigt i områden där energin inte kommer från gröna källor. Luftkonditionering förväntas öka avsevärt i länder där det för närvarande är mindre vanligt, som Indonesien eller Indien.

Högpresterande luftkonditioneringsapparater kan halvera energibehovet för kylning. Att utveckla teknologier i strävan mot effektivare kylning är ett nyckelmål, särskilt eftersom energin som krävs för kylning förväntas tredubblas under de kommande tre decennierna. Teknikutveckling för effektivare kylning kan hjälpa till att mildra utmaningar i en snabbt värmande värld.