Ir pagājis ilgs laiks, un beidzot Latvijā ir iestājusies siltā laika. Lielākā daļa iedzīvotāju joprojām paļaujas uz gaisa kondicionieriem, lai izturētu augstās temperatūras , lai gan to augstais enerģijas patēriņš un piesārņojošo ķimikāliju izmantošana rada draudus cilvēku maciņiem un videi .
Satura rādītājs
Viss nav zaudēts: amerikāņu pētnieki ir panākuši jaunu atklājumu, kas var radīt revolūciju gaisa kondicionēšanas sistēmās, pateicoties jaunai termoelektriskai dzesēšanas tehnoloģijai, kas ir divreiz energoefektīvāka nekā esošās ierīces.
Zinātnieku grupa no Džonsa Hopkinsa Universitātes (Merilenda, ASV) Lietišķās fizikas laboratorijas (APL) ir izstrādājusi materiālus, kas ievērojami pārsniedz esošo komerciālo termoelektrisko sistēmu iespējas, saskaņā ar pētījumu, kas publicēts žurnālā Nature Communications.
Šīs jaunās tehnoloģijas atslēga ir tā saucamās kontrolējamas hierarhiski projektētas supertīkla struktūras (CHESS), kuras ir paredzētas kļūt par svarīgu pagrieziena punktu mērogojamu alternatīvu izstrādē tradicionālajai kompresoru dzesēšanai.
“Šī reālā demonstrācija par dzesēšanu, izmantojot jaunus termoelektriskos materiālus, uzsver iespējas, ko piedāvā plānas plēves, kas izgatavotas ar CHESS nanotehnoloģiju,” teica preses relīzē projekta galvenais pētnieks Rama Venkatasubramanian.
Nepārspējama efektivitāte
Parastie gaisa kondicionieri darbojas pēc tvaika kompresijas dzesēšanas cikla principa, kurā tiek izmantots ķīmiskais dzesējošais. Kompresors sūknē dzesējošo vielu pa slēgtu kontūru, saspiežot to karstā augstspiediena gāzē, kas pēc tam nonāk ārējā kondensatorā, atbrīvojot siltumu apkārtējā vidē.
Pēc tam šķidrais aukstuma aģents plūst caur izplešanās vārstu, kas strauji samazina tā spiedienu, ievērojami atdzesējot to pirms nonākšanas iekšējā iztvaicētājā. Tur aukstuma aģents absorbē siltumu no apkārtējā gaisa, atkal iztvaicējoties, un ventilators izplata atdzesēto gaisu visā telpā .
Šis nepārtrauktais saspiešanas, kondensācijas, izplešanās un iztvaikošanas cikls prasa mehāniskas detaļas, piemēram, kompresorus, ventilatorus un sūkņus, kas patērē enerģiju un rada troksni, kā arī ir apjomīgi.
Turpretim materiāli, ko APL pētnieki izstrādājuši desmit gadu garumā, atdzesējas ātri un efektīvi, izmantojot elektronus siltuma pārvadīšanai caur specializētiem pusvadītāju materiāliem, bez nepieciešamības izmantot kustīgas detaļas.
Tādējādi jaunie dzesēšanas sistēmas, kas izstrādātas, izmantojot CHESS tehnoloģiju, būs daudz klusākas, kompaktiākas, uzticamākas un videi draudzīgākas nekā parastās sistēmas, jo tās neizmantos ķīmiskos dzesējošos līdzekļus, kas var būt kaitīgi videi.
Vēsturiski termoelektriskie materiāli tika izmantoti tikai nelielās ierīcēs, piemēram, portatīvajos ledusskapjos . To ierobežotā efektivitāte un nesaderība ar liela mēroga ražošanu kavēja citu veidu augstas veiktspējas lietojumu izmantošanu.
Līdz šim. Tāpēc, ka CHESS tehnoloģija pārvar šos ierobežojumus, pateicoties plāno plēvju konstrukcijai, kas paver iespēju masveida ražošanai .
Lai izveidotu plānus CHESS materiālu slāņus, pētnieki izmantoja ķīmiskās nogulsnēšanas no metālorganisko savienojumu tvaika fāzes (MOCVD) metodi, ko parasti izmanto gaismas diožu lampu un fotoelektrisko elementu ražošanā saules paneļiem.
Jaunums šajā gadījumā ir tas, ka APL inženieriem bija nepieciešami tikai 0,003 kubikcentimetri materiāla uz vienu dzesēšanas vienību, kas aptuveni atbilst smilšu graudiņa izmēram, kas atvieglo masveida ražošanu un nodrošina saprātīgas cenas.
Iegūtie rezultāti parādīja ievērojamu dzesēšanas efektivitātes uzlabojumu salīdzinājumā ar tradicionālajām tehnoloģijām. CHESS materiāli sasniedza “gandrīz 100 % lielāku efektivitāti nekā tradicionālie termoelektriskie materiāli istabas temperatūrā”.
Šis uzlabojums ir palielinājis ierīču efektivitāti par 75 % un pilnībā integrētu dzesēšanas sistēmu efektivitāti par 70 %.
Pārbaudes process
Lai pārbaudītu iegūtos rezultātus, APL zinātniekiem bija nepieciešams stingrs validācijas process. Šim nolūkam viņi sadarbojās ar Samsung Electronics, kas izstrādāja kompleksu protokolu, izmantojot detalizētu siltuma modelēšanu, slodzes kvantitatīvu novērtējumu un siltuma pretestības parametrus.
Testos tika atkārtoti ierīču ekspluatācijas apstākļi reālos laboratorijas apstākļos, lai garantētu uzlabojumu reproducējamību komerciālos apstākļos .
Eksperimenti tika veikti 25 °C temperatūrā un apstākļos, kas ir tipiski lielākajai daļai gaisa kondicionēšanas sistēmu gan dzīvojamās, gan komerciālās ēkās.
Pēc Venkatasubramanians teiktā, pateicoties šiem pārbaudītajiem rezultātiem, tehnoloģija var tikt izmantota dažādiem mērķiem: “no nelielu saldēšanas sistēmu barošanas līdz apkures, ventilācijas un gaisa kondicionēšanas sistēmu atbalstam lielās ēkās”.
Lai demonstrētu tās potenciālu, pētījuma galvenais autors salīdzina tās universālumu ar litija jonu akumulatoru universālumu. Sākotnēji to lietošana bija ierobežota nelielām ierīcēm, piemēram, MP3 atskaņotājiem vai mobilajiem tālruņiem, bet tagad tos izmanto automobiļu, laivu un pat lidmašīnu darbināšanai.
Jaunie materiāli arī “spēj pārvērst temperatūras starpību, piemēram, ķermeņa siltumu, lietderīgā enerģijā”, saka Džefs Maranči, APL pētniecības centra pētniecības programmu direktors.
Tādējādi tā iespējamo pielietojumu spektrs paplašinās vēl vairāk un var tikt piemērots “nākamās paaudzes taktilajām sistēmām, protēzēm un cilvēka un mašīnu saskarnēm”.
Maranci ir pārliecināts, ka jaunais materiāls “atver durvis mērogojamām enerģijas ieguves tehnoloģijām dažādām lietojumprogrammām — no datoriem līdz kosmosa aparātiem — iespējas, kas nebija iespējamas, izmantojot vecās, apjomīgākās termoelektriskās ierīces”, — secina viņš.
