Genom att modifiera ett kylskåp som vanligtvis används inom både forskning och industri, har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) drastiskt minskat tiden och energin som krävs för att kyla material till inom några få grader över absolut noll.
Forskarna säger att deras prototypenhet, som de nu arbetar med att kommersialisera med en industriell partner, kan årligen spara uppskattningsvis 27 miljoner watt effekt, 30 miljoner dollar i global elförbrukning och tillräckligt med kylvatten för att fylla 5 000 olympiska simbassänger.
Från att stabilisera qubits (den grundläggande enheten för information i en kvantdator) till att bibehålla de supraledande egenskaperna hos material och att hålla NASA:s James Webb rymdteleskop tillräckligt svalt för att observera himlen, ultrakall kylning är avgörande för driften av många enheter och sensorer. I decennier har Pulse Tube Refrigerator (PTR) varit arbetshästen för att uppnå temperaturer som är lika kalla som vakuumet i yttre rymden.
Dessa kylskåp komprimerar (värmer) och expanderar (kylar) högtrycksheliumgas cykliskt för att uppnå "Big Chill", i stort sett analogt med hur ett hushållskylskåp använder omvandlingen av freon från vätska till ånga för att avlägsna värme. I mer än 40 år har PTR bevisat sin tillförlitlighet, men den är också energikrävande och förbrukar mer elektricitet än någon annan komponent i ett experiment med ultralåg temperatur.
När NIST-forskaren Ryan Snodgrass och hans kollegor tittade närmare på kylskåpet fann de att tillverkare hade byggt enheten för att vara energieffektiv endast vid dess slutliga driftstemperatur på 4 kelvin (K), eller 4 grader över absolut noll. Teamet fann att dessa kylskåp är extremt ineffektiva vid högre temperaturer – ett stort problem eftersom nedkylningsprocessen börjar vid rumstemperatur.
Under en serie experiment upptäckte Snodgrass, tillsammans med NIST-forskarna Joel Ullom, Vincent Kotsubo och Scott Backhaus, att heliumgasen vid rumstemperatur var under så högt tryck att en del av den shuntades genom en avlastningsventil istället för att användas för kylning. Genom att ändra de mekaniska anslutningarna mellan kompressorn och kylskåpet säkerställde teamet att inget av heliumet skulle gå till spillo, vilket avsevärt förbättrade kylskåpets effektivitet.
I synnerhet justerade forskarna kontinuerligt en serie ventiler som kontrollerar mängden heliumgas som strömmar från kompressorn till kylskåpet. Forskarna fann att om de tillät ventilerna att ha en större öppning vid rumstemperatur och sedan gradvis stängde dem allt eftersom kylningen fortskrider, kunde de minska nedkylningstiden till mellan en halv och en fjärdedel av vad den är nu.
För närvarande måste forskare vänta en dag eller mer för att nya kvantkretsar ska vara tillräckligt kalla för att testas. Eftersom framstegen inom vetenskaplig forskning kan begränsas av den tid det tar att nå kryogena temperaturer, kan den snabbare nedkylningen som tillhandahålls av denna teknik i stor utsträckning påverka många områden, inklusive kvantberäkningar och andra områden av kvantforskning.
Tekniken som utvecklats av NIST-teamet kan också tillåta forskare att ersätta stora pulsrörskylskåp med mycket mindre, som kräver mindre stödjande infrastruktur, sa Snodgrass.
Behovet av dessa kylskåp kommer att växa kraftigt i takt med att forskningen om kvantberäkning, tillsammans med dess beroende av kryogen teknologi, fortsätter att växa. Den modifierade PTR skulle då spara mycket mer pengar, elektrisk energi och kylvatten. Förutom att stödja en växande kvantekonomi, skulle enheten också påskynda forskningen eftersom forskare inte längre skulle behöva vänta dagar eller veckor på att qubits och andra kvantkomponenter ska svalna.
Artikeln är publicerad i tidskriften Nature Communications .
Mer information: Ryan Snodgrass et al, Dynamisk akustisk optimering av pulsrörskylskåp för snabb nedkylning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47561-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av National Institute of Standards and Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.
