Ett prototypkylsystem använder nya barokaloriska material i fast tillstånd. Kredit:Adam Slavney
Sommaren är i full gång i USA, och folk skruvar upp sina luftkonditioneringsapparater för att slå värmen. Men köldmediet med fluorkolväten i dessa och andra kylanordningar är potenta växthusgaser och viktiga drivkrafter för klimatförändringar. Idag rapporterar forskare om en prototypenhet som en dag skulle kunna ersätta befintliga "A/C". Det är mycket mer miljövänligt och använder fasta köldmedier för att effektivt kyla ett utrymme.
Forskarna kommer att presentera sina resultat i dag på höstmötet i American Chemical Society (ACS).
"Bara att installera en luftkonditionering eller slänga en är en stor drivkraft för den globala uppvärmningen", säger Adam Slavney, Ph.D., som presenterar detta arbete vid mötet. Köldmedierna som används i dessa system är tusentals gånger mer potenta än koldioxid och kan av misstag läcka ut ur systemen när de hanteras eller kasseras.
Traditionella kylsystem, såsom luftkonditioneringsapparater, fungerar genom att få ett köldmedium att cirkulera mellan att vara en gas eller en vätska. När vätskan blir en gas expanderar den och absorberar värme, vilket kyler ett rum eller insidan av ett kylskåp. En kompressor som arbetar med cirka 70–150 pund per kvadrattum (psi) förvandlar gasen tillbaka till en vätska och avger värme. När det gäller luftkonditioneringsapparater riktas denna värme utanför hemmet. Även om denna cykel är effektiv, sporrar oro för klimatförändringar och strängare regler för fluorkolvätens köldmedier sökandet efter mer miljömässigt ansvarsfulla.
Fasta köldmedier kan vara en idealisk lösning. Till skillnad från gaser kommer inte fasta ämnen att läcka ut i miljön från A/C-enheter. En klass av fasta köldmedier, kallade barokaloriska material, fungerar på samma sätt som traditionella gas-vätskekylsystem. De använder tryckförändringar för att gå igenom värmecykler, men i det här fallet driver trycket en fast-till-fast fasförändring. Det betyder att materialet förblir fast, men den inre molekylstrukturen förändras. Den viktigaste strukturella aspekten av dessa barokaloriska fasta material är att de innehåller långa, flexibla molekylkedjor som vanligtvis är diskreta och oordnade. Men under press blir kedjorna mer ordnade och stela – en förändring som frigör värme. Processen att gå från en ordnad till en avslappnad struktur är som att smälta vax, men utan att det blir en vätska, säger Jarad Mason, Ph.D., projektets huvudutredare, som är vid Harvard University. När trycket släpps, absorberar materialet värme igen, vilket fullbordar cykeln.
En nackdel med barokaloriska system är dock att de flesta av dessa material kräver massiva tryck för att driva värmecykler. För att producera dessa tryck behöver systemen dyr, specialiserad utrustning som inte är praktisk för verkliga kylapplikationer. Mason och hans team rapporterade nyligen om barokaloriska material som kan fungera som kylmedel vid mycket lägre tryck. De har nu visat att köldmedierna, som kallas metallhalogenidperovskiter, kan fungera i ett kylsystem som de har byggt från grunden. "Materialen vi rapporterade kan cykla vid cirka 3 000 psi, vilket är tryck som ett typiskt hydraulsystem kan arbeta med", säger Slavney.
Teamet har nu byggt en första prototyp i sitt slag som visar användningen av dessa nya material i ett praktiskt kylsystem. Enheten har tre huvuddelar. Det ena är ett metallrör packat med det fasta köldmediet och en inert vätska - vatten eller en olja. En annan del av enheten är en hydraulisk kolv som applicerar tryck på vätskan. Slutligen hjälper vätskan till att överföra trycket till kylmediet och hjälper till att transportera värme genom systemet.
Efter att ha löst flera tekniska utmaningar har teamet visat att de barokaloriska materialen fungerar som funktionella köldmedier och förvandlar tryckförändringar till fullständiga temperaturförändrande cykler. "Vårt system använder fortfarande inte lika låga tryck som i kommersiella kylsystem, men vi närmar oss", säger Mason. Såvitt teamet vet är detta det första fungerande kylsystemet som använder fasta köldmedier som är beroende av tryckförändringar.
Med enheten nu i handen planerar teamet att testa en mängd olika barokaloriska material. "Vi hoppas verkligen kunna använda den här maskinen som en testbädd för att hjälpa oss hitta ännu bättre material", säger Slavney, inklusive sådana som arbetar vid lägre tryck och som leder värme bättre. With an optimal material, the researchers believe solid-state refrigerants could become a viable replacement for current air conditioning and other cooling technologies. + Utforska vidare
