Американские физики продемонстрировали ионокалорический эффект — так они назвали новый принцип, который может стать основной для холодильников будущего. В его основе лежит плавление и кристаллизация рабочего тела за счет управления концентрацией ионов соли в нем с помощью электрического напряжения. Диапазон рабочих температур прототипа достиг 26 градусов, а его КПД составил 29 процентов от КПД цикла Карно — самого оптимального классического цикла.

Исследование опубликовано в Science.

Жизнь в современных развитых странах невозможно представить без массового использования холодильников. Наиболее распространенной технологией, на которой они работают, по сей день остается парокомпрессионных цикл, в ходе которого хладагент поочередно испытывает фазовые переходы (испарение и конденсацию), сопровождающиеся переносом тепла из холодильной камеры в теплообменник.

Проблема этого подхода в том, что фреоны, чаще всего используемые в качестве хладагентов, довольно неэкологичны. Даже относительно безопасные для озонового слоя гидрофторуглероды — фреоны без содержания хлора — обладают потенциалом глобального потепления, в 2000 раз превышающий таковой у углекислого газа.

В качестве одного из решений этой проблемы ученые рассматривают применение калорических материалов. Так называют твердотельные материалы, демонстрирующие температурный отклик на приложение электрических или магнитных полей, давления или напряжения. Несмотря на существующие успехи, такой подход пока уступает традиционному парокомпрессионному циклу, как с точки зрения глубины охлаждения, так и с точки зрения эффективности.

Возможно, ситуация скоро изменится благодаря усилиям Дрю Лилли и Рави Прашера из Калифорнийского университета в Беркли. Команда физиков нашла материалы, которые обеспечивают новый калорический эффект, демонстрирующий конкурентноспособные параметры охлаждения. Он основан на плавлении твердотельного материала за счет растворения в нем ионов соли, благодаря чему получил название ионокалорического эффекта.

Подобные процессы относятся к энтропийным реакциям, возникающим как отклик сопряженной энергетической переменной. В роли нее, например, выступает выравнивание электрических (поляризуемость) или магнитных (намагниченность) диполей в случае электрического или магнитного калорического эффекта. В ионокалорическом эффекте изменение энтропии основано на смешивании частиц. В этом случае сопряженная переменная — это электрохимический потенциал, зависящий от концентрации ионов соли. Управлять концентрацией солей, в свою очередь, можно с помощью температуры, давления или электрического поля.

Авторы остановили свой выбор на последнем варианте. В роли растворителя в их эксперименте выступил этиленкарбонат, а в роли соли — йодид натрия. Температура плавления чистого этиленкарбоната равна 35 градусам Цельсия. Смешивание его с солью снижает этот параметр. Начиная с некоторого момента, жидкая фаза становится предпочтительнее для растворителя, и он плавится, что сопровождается понижением температуры, определяемым удельной теплотой плавления.

Для замыкания цикла физикам потребовалось опреснить растворитель. Для этого они прикладывали напряжение, отделяя ионы соли через пермселективные ионообменные мембраны. Примечательно, что для этого потребовалось небольшое напряжение — 0,22 вольта, что стало ключом к достижению высокой эффективности охлаждения. В опытах она достигла 29 процентов от КПД цикла Карно, а диапазон рабочих температуры оказался равен 26 градусам.

Схема цикла работы нового охладителя, включающего четыре этапа: разделение, кристаллизацию, смешивание и плавление / Drew Lilley and Ravi Prasher / Science, 2022

Главным недостатком новой технологии оказалась низкая мощность охлаждения, приводящая к небольшой скорости работы. В опыте физиков она достигла 5,75 ватта на литр. Такое ограничение возникло из-за проводимости мембран, ограниченной 0,5 миллиамперами на квадратный сантиметр. Авторы полагают, что применение материалов, используемых в проточных ванадиевых редокс-батареях на водной основе с пропускной способностью 800 миллиампер на квадратный сантиметр, позволит повысить мощность охлаждения до 9,2 киловатта на литр.