Igazi dilemma, hogy miként tartsuk fenn a hűvöset a forró és párás nyári napokon anélkül, hogy a hagyományos légkondicionálóhoz fordulnánk, amely hatalmas mennyiségű villamos energiát fogyaszt és erős éghajlatváltozást okozó üvegházhatású gázokat bocsát ki.
A válasz potenciálisan a szilárdtest-hűtőanyagok egy új osztályát foglalja magában, amely lehetővé teheti az energiahatékony és kibocsátásmentes hűtést. Az Harvard Egyetem Kémiai és Kémiai Biológiai Tanszékének kutatói egy olyan környezetbarát mechanizmust fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi a szilárdtest-hűtést kétdimenziós perovszkitokkal. Eredményeiket a Nature Communications című folyóiratban megjelent új tanulmányban ismertették.
"A párakompressziós rendszerektől való elmozdulás, amelyeket már nagyon régóta használnak, kulcsfontosságú része a fenntarthatóbb jövő felé vezető általános törekvésnek. Arra összpontosítunk, hogy mélyen megvizsgáljuk ezeknek az anyagoknak a belső tulajdonságait, hogy lássuk, mi lehetséges a szilárdtest-hűtés mint fenntartható alternatíva szempontjából" - mondta Jarad Mason, a tanulmány vezető szerzője.
A barokalorikus anyagoknak is nevezett kétdimenziós perovszkitok a nyomásváltozásra reagálva, tágulásuk és összehúzódásuk során hőt adnak le és vesznek fel. A hatás alapja egy olyan jelenség, amelyet ismerős lehet, ha valakimár felfújt egy léggömböt, és ajkával érzékelte, hogy az anyag a fújás közben felmelegszik. Hasonlóan ezek az anyagok is hőt adnak le, amikor nyomás alá helyezik őket, vagy feszültség alatt állnak. Anélkül, hogy káros kibocsátást produkálna, ez a mechanizmus alacsony meghajtó nyomás mellett képes a hőt a szilárd anyagban elvezetni.
A szilárdtest-hűtésnek az az új mechanizmusa képes átlépni a hagyományos párakompressziós hűtési technológia korlátait, amely a 20. század eleje óta nagyrészt változatlan maradt.
Bármilyen hűtőrendszer egy ciklusban halad az alacsony entrópiájú állapotból, amikor az anyag képes hőt felvenni, ezáltal hűteni a teret, a magas entrópiájú állapotba, amikor ez az energia felszabadulhat egy hőelnyelőben, ahol eloszlik. A párakompressziós légkondicionálókban egy illékony folyadék hűtőközeg kering, amely változó nyomáson elpárolog és kondenzálódik fémtekercseken keresztül, hogy lehűtse a zárt teret, és a hőt kiengedje. A gőzkompressziós ciklusok működtetése energiaigényes, jelenleg az épületek villamosenergia-felhasználásának közel 20 százalékáért felelős világszerte. Ezenkívül a szivárgó hűtőközegek több mint 1000-szer erősebb üvegházhatású gázok, mint a szén-dioxid.
A kutatócsoport a kétdimenziós perovszkitokat ideális helyettesítő anyagként azonosította, mivel ezek olyan fázisátalakulásokon mennek keresztül, amelyek minimális nyomás alatt reverzibilisen működtethetők, miközben szilárd állapotban maradnak. Minél jobban képes egy anyag megváltoztatni az entrópiáját, annál hatékonyabb lehet a hűtési ciklusok működtetésében. Mivel a szerves kétrétegű anyagok nagy entrópiaváltozásokra képesek, amikor szénhidrogénláncaik rendezett és rendezetlen állapotok között váltanak, a kutatócsoport arra számított, hogy a kétdimenziós perovszkitok nagymértékben hangolható szilárd halmazállapotú hűtőanyagként szolgálhatnak, amely a lehetségesnek tartottnál alacsonyabb nyomáson is működhetnek.
A csapat laboratóriumában szintetizálta az anyagokat, és nagynyomású kaloriméterben tesztelte őket, hogy különböző nyomáson és hőmérsékleten mérjék az anyagban a hőáramlás változásait. Ezekből a kísérletekből kiderül, hogy mennyi hőt lehet elvezetni egy potenciális hűtőkörben, és mekkora nyomás szükséges a ciklus reverzibilis működtetéséhez.
"Amint elkezdtük tesztelni az anyagot, rájöttünk, hogy nagyon kis nyomásváltozással nagyon nagy mennyiségű hőt tudunk eltávolítani. Onnantól kezdve tudtuk, hogy itt valami érdekes dolog lesz" - mondta Mason.
A kutatók nagynyomású porröntgen-diffrakciós kísérleteket is végeztek, hogy megértsék a fázisváltozásokat molekuláris szinten. A röntgenszinkrotron segítségével a kutatók jellemezni tudták, hogyan változik az egyes anyagok szerkezete különböző hőmérsékleten és nyomáson.
"Ezeket az anyagokat az ígéretes teljesítményükön túlmenően is érdemes tanulmányozni. A vegyészek számára is hasznosak lehetnek, hogy megértsék azokat az alapvető tulajdonságokat, amelyek kritikusak e technológia méretarányos megvalósításához" - mondta Jinyoung Seo, a laboratórium munkatársa.
A Mason Lab legközelebb a barokalorikus hűtőberendezések prototípusainak elkészítését tervezi, miközben folytatja a különböző anyagok lehetséges felhasználásának vizsgálatát. "Valószínűleg új generációs anyagokat fogunk használni a prototípus eszközhöz. Megpróbálunk új technológiákkal előállni a hűtési kihívás megoldására" - jegyezte meg Seo a Harvard Gazette szerint.
