Een nieuwe koelmethode genaamd "ionocalorische koeling" zou op een dag traditionele systemen op basis van dampcompressie kunnen vervangen, waardoor de behoefte aan gassen die de atmosfeer van de aarde schaden en bijdragen aan klimaatverandering, wordt verminderd. De methode, ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in de VS, maakt gebruik van de manieren waarop energie wordt opgeslagen of vrijgegeven wanneer een materiaal van fase verandert, zoals van een vaste stof naar een vloeistof of vice versa.

Conventionele koelkasten en airconditioners zijn ontworpen om vluchtige fluorkoolwaterstoffen te gebruiken, dit zijn extreem krachtige broeikasgassen met een aardopwarmingsvermogen (GWP) dat 2000 keer groter is dan koolstofdioxide. In dergelijke systemen wordt het koelmiddel rondgepompt in een gesloten lus waarin het een faseovergang ondergaat van een vloeistof naar een gas en dan weer terug naar een vloeistof. De overgang naar gas gaat gepaard met uitzetting en energie, die het koudemiddel verkrijgt door de omgeving aan zijn “koude” kant af te koelen. Warmte komt dan vrij aan de "hete" kant wanneer de vloeistof terug condenseert tot een vloeistof.

Deze standaardcyclus kan ook worden toegepast op andere stoffen die op vergelijkbare wijze een faseovergang ondergaan waarbij warmte wordt opgenomen en afgegeven. Deze alternatieve stoffen omvatten elektrocalorische en magnetocalorische materialen, die schakelen tussen twee vaste fasen in aanwezigheid van aangelegde elektrische of magnetische velden. Het nadeel is dat het verwarmings- en koelvermogen van elektrocalorische en magnetocalorische koelmiddelen relatief bescheiden is, wat leidt tot koelcycli die inefficiënt zijn voor algemeen praktisch gebruik.

Een derde mogelijkheid is om het barocalorische effect te gebruiken, dat optreedt wanneer het materiaal dat wordt samengedrukt en uitgezet een vaste stof is in plaats van een vloeistof of gas. Voor de meeste barocalorische materialen is dit effect echter erg klein bij omgevingstemperaturen en -drukken.

Een geheel nieuw calorisch effect

De nieuwe techniek uitgevonden door Drew Lilley en Ravi Prasher bij LBNL maakt gebruik van een heel ander calorisch effect. Het werkt door zout aan een vaste stof toe te voegen, waardoor de vaste stof een vloeistof "wil" worden op dezelfde manier als het toevoegen van zout aan een koude, ijzige weg het ijs in sneeuwbrij verandert.

"Om vloeibaar te worden, moet de vaste stof smelten, wat betekent dat het energie moet absorberen", legt Lilley uit. “Als je verhindert dat de vaste stof energie uit zijn omgeving opneemt, 'steelt' het energie van zichzelf, waardoor het hele materiaal afkoelt (zie stap 1 tot 2 in de afbeelding hierboven). Als het eenmaal is afgekoeld, kan de vaste stof verder smelten, maar bij een lagere temperatuur, en neemt het energie op uit de omgeving. Dit leidt tot koeling (stap 2 t/m 3 in het schema).”

Lilley legt verder uit dat het mechanisme voor de fase- en temperatuurverandering in deze "ionocalorische" cyclus de stroom is van elektrisch geladen atomen of moleculen - ionen - wanneer er een stroom op het systeem wordt gezet. Als de ionen later worden verwijderd uit de vloeistof die opgelost zout bevat (stap 3 t/m 4 in het schema) treedt het omgekeerde effect op: de stof “wil” geen vloeistof meer zijn, dus wordt het een vaste stof. Om dit te doen, moet het kristalliseren en energie vrijgeven, maar als het wordt verhinderd energie uit te wisselen met zijn omgeving, zal het in plaats daarvan de energie aan zichzelf afgeven en opwarmen. Eenmaal verwarmd, zal het energie blijven afgeven door te kristalliseren en deze warmte af te staan ​​aan zijn omgeving.

In een reeks experimenten die waren ontworpen om de koelcapaciteiten van dit mengproces van oplosmiddel en zout te testen, ontdekten Lilley en Prasher dat de temperatuur tot 28 ° C daalde met minder dan 1 V aangelegde stroom. Ze observeerden ook variaties in entropie (de fysieke entiteit die wordt gebruikt om de effectiviteit van een koelprincipe te schatten) zo groot als 500 JK^-1 kg^-1. Dit is groter dan de waargenomen variaties in magnetocalorische en elektrocalorische materialen en vergelijkbaar met die van het beste barocalorische materiaal (plastic kristallen van neopentylglycol). Het is ook goed te vergelijken met de huidige koelmiddelen.

Een langzame, zoute cyclus

Het zout dat de onderzoekers gebruikten, is gemaakt van jodium en natrium en ze hebben het gemengd met ethyleencarbonaat - een veelgebruikt organisch oplosmiddel dat overigens een veelgebruikt additief is in de elektrolyten van lithium-ionbatterijen. Het resulterende mengsel van ethyleencarbonaat en natriumjodide (EC-NaI) is, zeggen ze, CO2-negatief, milieuvriendelijk, ongevaarlijk, nul-GWP, niet-toxisch en niet-ontvlambaar.

Nanosmeermiddel maakt huishoudelijke koelkasten efficiënter

"Onze technologie is duurzaam [en] maakt geen gebruik van extreme velden - we hoeven slechts ongeveer 1 V toe te passen", vertelt Lilley Natuurkunde wereld. Hij voegt eraan toe dat de efficiëntie van het prototypesysteem in hun experiment "vier tot vijf keer groter is dan alle eerdere prototypes die gebruik maken van vaste stoffen" en "vermogensdichtheden vertoont die wedijveren met die van dampcompressie".

Het belangrijkste nadeel van ionocalorische koeling is de lage snelheid. Volgens Lilley en Prasher, die hun werk publiceerden in Wetenschap, kan een enkele cyclus tussen de vijf minuten en enkele uren duren. Toch, Emmanuel Defay, een onderzoeker aan de Luxemburgs Instituut voor Wetenschap en Technologie die niet bij het werk betrokken was, is onder de indruk van het potentieel van dit nieuwe lid van de familie van calorische materialen. "Het vertoont een grote efficiëntie en kan milieuvriendelijk zijn", schrijft hij in een gerelateerd artikel Perspectieven artikel. "Dit is een serieuze kanshebber voor de toekomst van koeling."

De volgende stap van de LBNL-onderzoekers is het starten van een bedrijf om hun technologie te commercialiseren. "Hopelijk zal onze aanpak een reële impact hebben op het verbeteren van koeling en warmtepompen door efficiëntiewinsten en het koolstofvrij maken van koelmiddelen", zegt Lilley.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/ionocaloric-cooling-makes-a-new-type-of-refrigerator/