Et mere miljøvenligt klimaanlæg

Sommeren er i fuld gang i USA, og folk skruer op for deres klimaanlæg for at slå varmen. Men hydrofluorcarbon-kølemidlerne i disse og andre køleanordninger er potente drivhusgasser og væsentlige drivkræfter bag klimaændringer. I dag rapporterer videnskabsmænd om en prototypeenhed, der en dag kan erstatte eksisterende "A/C'er". Det er meget mere miljøvenligt og bruger solide kølemidler til effektivt at afkøle et rum.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på efterårsmødet i American Chemical Society (ACS).

"Bare det at installere et klimaanlæg eller smide et væk er en kæmpe drivkraft for global opvarmning," siger Adam Slavney, Ph.D., som præsenterer dette arbejde på mødet. De kølemidler, der bruges i disse systemer, er tusindvis af gange stærkere end kuldioxid og kan ved et uheld lække ud af systemer, når de håndteres eller bortskaffes.

Traditionelle kølesystemer, såsom klimaanlæg, virker ved at få et kølemiddel til at cirkulere mellem at være en gas eller en væske. Når væsken bliver til en gas, udvider den sig og absorberer varme, hvilket afkøler et rum eller det indre af et køleskab. En kompressor, der arbejder ved omkring 70-150 pund per kvadrattomme (psi), forvandler gassen tilbage til en væske og frigiver varme. I tilfælde af klimaanlæg ledes denne varme uden for hjemmet. Selvom denne cyklus er effektiv, ansporer bekymringer om klimaændringer og strengere regler for hydrofluorcarbon-kølemidler søgen efter mere miljømæssigt ansvarlige.

Faste kølemidler kunne være en ideel løsning. I modsætning til gasser vil faste stoffer ikke lække ud i miljøet fra A/C-enheder. En klasse af faste kølemidler, kaldet barokaloriske materialer, fungerer på samme måde som traditionelle gas-væske-kølesystemer. De bruger trykændringer til at gå gennem varmecyklusser, men i dette tilfælde driver trykket en fast-til-fast fase-ændring. Det betyder, at materialet forbliver et fast stof, men den indre molekylære struktur ændres. Det vigtigste strukturelle aspekt af disse barokaloriske faste materialer er, at de indeholder lange, fleksible molekylære kæder, der typisk er floppy og uordnet. Men under pres bliver kæderne mere ordnede og stive – en ændring, der frigiver varme. Processen med at gå fra en ordnet til en afslappet struktur er som at smelte voks, men uden at det bliver en væske, siger Jarad Mason, Ph.D., projektets hovedforsker, som er på Harvard University. Når trykket slippes, genabsorberer materialet varme, hvilket fuldender cyklussen.

En ulempe ved barokaloriske systemer er imidlertid, at de fleste af disse materialer kræver massive tryk for at drive varmecyklusser. For at producere disse tryk har systemerne brug for dyrt, specialiseret udstyr, der ikke er praktisk til køleapplikationer i den virkelige verden. Mason og hans team rapporterede for nylig om barokaloriske materialer, der kan fungere som kølemidler ved meget lavere tryk. De har nu vist, at kølemidlerne, som kaldes metalhalogenid-perovskitter, kan arbejde i et kølesystem, de har bygget fra bunden. "De materialer, vi rapporterede, er i stand til at cykle ved omkring 3.000 psi, hvilket er tryk, som et typisk hydrauliksystem kan arbejde ved," siger Slavney.

Holdet har nu bygget en første af sin slags prototype, der demonstrerer brugen af ​​disse nye materialer i et praktisk kølesystem. Enheden har tre hoveddele. Det ene er et metalrør pakket med det faste kølemiddel og en inert væske - vand eller en olie. En anden del af enheden er et hydraulisk stempel, der påfører tryk på væsken. Endelig hjælper væsken med at overføre dette tryk til kølemidlet og hjælper med at transportere varme gennem systemet.

Efter at have løst adskillige tekniske udfordringer har teamet vist, at de barokaloriske materialer fungerer som funktionelle kølemidler, der omdanner trykændringer til fulde temperaturskiftende cyklusser. "Vores system bruger stadig ikke tryk så lavt som i kommercielle kølesystemer, men vi kommer tættere på," siger Mason. Så vidt holdet ved, er dette det første fungerende kølesystem, der bruger faststofkølemidler, der er afhængige af trykændringer.

With the device now in hand, the team plans to test a variety of barocaloric materials. "We're really hoping to use this machine as a testbed to help us find even better materials," says Slavney, including ones that work at lower pressures and that conduct heat better. With an optimal material, the researchers believe solid-state refrigerants could become a viable replacement for current air conditioning and other cooling technologies. + Udforsk yderligere

N-alkanes proved to be a safe, novel and green cooling material