Shkencëtarët kanë zhvilluar një metodë të re të ftohtë të ftohjes

Shtimi i kripës në një rrugë përpara një stuhie dimri ndryshon kur do të formohet akulli. Studiuesit në Laboratorin Kombëtar Lawrence Berkeley të Departamentit të Energjisë (Berkeley Lab) kanë aplikuar këtë koncept bazë për të zhvilluar një metodë të re të ngrohjes dhe ftohjes. Teknika, të cilën ata e kanë quajtur “ftohje jonokalorike”, përshkruhet në një punim të botuar më 23 dhjetor në revistën Science.

Ftohja jonokalorike përfiton nga mënyra se si energjia ose nxehtësia ruhet ose çlirohet kur një material ndryshon fazën – si p.sh. ndryshimi nga akulli i ngurtë në ujë të lëngshëm. Shkrirja e një materiali thith nxehtësinë nga mjedisi, ndërsa ngurtësimi i tij çliron nxehtësinë. Cikli jonokalorik shkakton këtë fazë dhe ndryshim të temperaturës përmes rrjedhës së joneve (atomeve ose molekulave të ngarkuara elektrikisht) që vijnë nga një kripë.

Studiuesit shpresojnë se metoda mund të sigurojë një ditë ngrohje dhe ftohje efikase, e cila përbën më shumë se gjysmën e energjisë së përdorur në shtëpi dhe të ndihmojë në heqjen e sistemeve aktuale të “ngjeshjes së avullit”, të cilat përdorin gaze me potencial të lartë të ngrohjes globale si ftohës. Ftohja jonokalorike do të eliminonte rrezikun e ikjes së gazrave të tillë në atmosferë duke i zëvendësuar ato me përbërës të ngurtë dhe të lëngshëm.

“Peizazhi i ftohësve është një problem i pazgjidhur: Askush nuk ka zhvilluar me sukses një zgjidhje alternative që i bën gjërat të ftohta, funksionon me efikasitet, është i sigurt dhe nuk dëmton mjedisin,” tha Drew Lilley, një asistent i diplomuar në kërkime në Berkeley Lab dhe Ph.D. kandidati në UC Berkeley i cili udhëhoqi studimin. “Ne mendojmë se cikli jonokalorik ka potencialin për të përmbushur të gjitha ato qëllime nëse realizohet siç duhet.”

Gjetja e një zgjidhjeje që zëvendëson ftohësit aktualë është thelbësore që vendet të përmbushin qëllimet e ndryshimit të klimës, të tilla si ato në Amendamentin e Kigalit (i pranuar nga 145 palë, përfshirë Shtetet e Bashkuara në tetor 2022). Marrëveshja angazhon nënshkruesit të reduktojnë prodhimin dhe konsumin e hidrofluorokarbureve (HFCs) me të paktën 80% gjatë 25 viteve të ardhshme. HFC-të janë gazra të fuqishëm serë që gjenden zakonisht në frigoriferë dhe sisteme të ajrit të kondicionuar dhe mund të bllokojnë nxehtësinë mijëra herë më efektivisht sesa dioksidi i karbonit.

Cikli i ri jonokalorik bashkohet me disa lloje të tjera të ftohjes “kalorike” në zhvillim. Këto teknika përdorin metoda të ndryshme – duke përfshirë magnetizmin, presionin, shtrirjen dhe fushat elektrike – për të manipuluar materialet e ngurta në mënyrë që ato të thithin ose lëshojnë nxehtësi. Ftohja jonokalorike ndryshon duke përdorur jone për të nxitur ndryshimet e fazës së ngurtë në të lëngshme. Përdorimi i një lëngu ka përfitimin e shtuar për ta bërë materialin të pompueshëm, duke e bërë më të lehtë marrjen e nxehtësisë brenda ose jashtë sistemit – diçka me të cilën ftohja në gjendje të ngurtë ka luftuar.

Lilley dhe autori korrespondues Ravi Prasher, një bashkëpunëtor kërkimor në Zonën e Teknologjive të Energjisë të Berkeley Lab dhe profesor ndihmës në inxhinierinë mekanike në UC Berkeley, parashtruan teorinë që qëndron në themel të ciklit jonokalorik. Ata llogaritën se ai ka potencialin për të konkurruar apo edhe për të tejkaluar efikasitetin e ftohësve të gaztë që gjenden në shumicën e sistemeve sot.

Ata gjithashtu demonstruan teknikën në mënyrë eksperimentale. Lilley përdori një kripë të bërë me jod dhe natrium, së bashku me etilen karbonat, një tretës organik i zakonshëm që përdoret në bateritë litium-jon.

“Ka potencial për të pasur ftohës që nuk janë vetëm GWP [potenciali i ngrohjes globale] – zero, por GWP-negativ,” tha Lilley. “Përdorimi i një materiali si karbonati etilen mund të jetë në të vërtetë negativ ndaj karbonit, sepse ju e prodhoni atë duke përdorur dioksid karboni si një hyrje. Kjo mund të na japë një vend për të përdorur CO2 nga kapja e karbonit.”

Rryma e rrjedhjes nëpër sistem lëviz jonet, duke ndryshuar pikën e shkrirjes së materialit. Kur shkrihet, materiali thith nxehtësinë nga rrethina, dhe kur jonet hiqen dhe materiali ngurtësohet, ai kthen nxehtësinë. Eksperimenti i parë tregoi një ndryshim të temperaturës prej 25 gradë Celsius duke përdorur më pak se një volt, një rritje më e madhe e temperaturës sesa demonstrohet nga teknologjitë e tjera kalorike.

“Ka tre gjëra që ne po përpiqemi të balancojmë: GWP e ftohësit, efikasitetin e energjisë dhe koston e vetë pajisjeve,” tha Prasher. “Nga provimi i parë, të dhënat tona duken shumë premtuese për të tre këto aspekte”.

Ndërsa metodat e kalorive diskutohen shpesh për sa i përket fuqisë së tyre ftohëse, ciklet mund të përdoren gjithashtu për aplikime të tilla si ngrohja e ujit ose ngrohja industriale. Ekipi jonocaloric po vazhdon punën në prototipe për të përcaktuar se si teknika mund të shkallëzohet për të mbështetur sasi të mëdha ftohjeje, për të përmirësuar sasinë e ndryshimit të temperaturës që sistemi mund të mbështesë dhe për të përmirësuar efikasitetin.

“Ne kemi këtë cikël dhe kornizë krejt të re termodinamike që bashkon elementë nga fusha të ndryshme dhe kemi treguar se mund të funksionojë,” tha Prasher. “Tani, është koha për eksperimente për të testuar kombinime të ndryshme të materialeve dhe teknikave për të përmbushur sfidat inxhinierike.”

Lilley dhe Prasher kanë marrë një patentë të përkohshme për ciklin e ftohjes jonokalorike dhe teknologjia tani është e disponueshme për licencim.