Разработан кондиционер, вообще не использующий хладагенты
Использование вредных для окружающей среды газов в кондиционерах и холодильниках может стать ненужным, если новый вид теплового насоса оправдает ожидания. Прототип, разработанный в Люксембургском институте науки и технологии в Бельво, использует только электрические поля вместо традиционных хладагентов.
Ученые создали экспериментальное устройство из керамики, обладающей сильным электрокалорическим эффектом: такие материалы нагреваются под воздействием электрического поля и остывают при отключении электричесвта.
В электрокалорическом материале атомы обладают электрической поляризацией — небольшим дисбалансом в распределении электронов, в результате чего атомы имеют «плюсовой» и «минусовой» полюс.
Пока материал остается в покое, поляризация этих атомов постоянно меняется в случайных направлениях. Но когда материал подвергается воздействию электрического поля, все электростатические полюса внезапно выравниваются, как волосы, расчесанные в одном направлении. Этот переход от беспорядка к порядку означает, что энтропия электронов — физический способ измерения беспорядка — внезапно падает, объясняет соавтор работы Эффануэль Дефей.
Но законы термодинамики гласят, что общая энтропия системы никогда не может уменьшиться, поэтому если где-то она падает, то где-то еще должна увеличиться. «Единственная возможность для материала избавиться от лишнего беспорядка — это перелить его в решетку» своей кристаллической структуры, — говорит Дефей. Этот дополнительный беспорядок означает, что сами атомы начинают вибрировать быстрее, что приводит к повышению температуры.
Охлаждение электрическим импульсом
Затем исследователи отводят тепло, пропуская жидкость между пластинами электрокалорического материала, не снимая при этом электрического поля. В результате плита возвращается к исходной температуре окружающей среды, но имеет меньшую поляризационную энтропию. Если затем выключить электрическое поле, то возникает обратный эффект: поляризации снова становятся хаотичными, и энтропия «вытекает» из атомной решетки керамики, унося с собой тепло. В результате решетка становится холоднее температуры окружающей среды и может охлаждать жидкость, перекачиваемую между плитами. Затем цикл начинается снова.
В холодильнике или кондиционере тепло нагретой жидкости рассеивается в окружающей среде, а охлажденная жидкость служит для поддержания холода внутри помещения. При отоплении тепловой насос охлаждает внешнюю среду, извлекая из нее тепло для перекачки в здание.
По словам Дефая, хотя технология еще не готова к коммерческому использованию, при дальнейшей доработке эффективность электрокалорического теплового насоса может составить конкуренцию существующим устройствам. Это трудная задача, поскольку тепловые насосы на основе компрессоров уже очень эффективны: например, при использовании для отопления зданий они могут давать в три и более раз больше тепла, чем обогреватели, при том же потреблении электроэнергии.
В отличие от обычного теплового насоса, электрокалорический тепловой насос не нуждается в хладагентах, таких как гидрофторуглероды или аммиак, которые потенциально вредны для окружающей среды. А поскольку в нем нет необходимости в компрессоре, он может быть помещен в более компактное и простое устройство, добавляет Дефей.