Przemysł chłodniczy to cichy, ale niezmiennie potężny emitent gazów cieplarnianych. Chociaż nie zawsze o tym myślimy, to lodówki i zamrażarki w domach, sklepach czy szpitalach wciąż opierają się na technologiach sprzed dziesięcioleci, które mają znaczący udział w globalnych emisjach. Problem narasta wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na chłodzenie żywności i leków, a znalezienie skutecznej alternatywy dla temperatur poniżej zera dotąd przypominało walkę z wiatrakami.
Jak działa technologia bez szkodliwych gazów?
Konwencjonalne zamrażarki działają na zasadzie sprężania i rozprężania par specjalnych czynników chłodniczych. Wiele z tych substancji to wodorofluorowęglowodory (HFC), których emisje stanowią poważny problem klimatyczny. Szacuje się, że do 2025 roku globalne emisje HFC mogą przekroczyć 1,2 gigatony ekwiwalentu dwutlenku węgla rocznie, z czego ponad jedną czwartą generuje właśnie chłodnictwo i mroźnictwo.
Czytaj też: Wystarczył tani akumulatorowy trik. Odkryli sekret większego zasięgu w samochodach elektrycznych
Droga obrana przez badaczy z HKUST jest zupełnie inna. Opierają się oni na zjawisku elastokalorycznym, które wykorzystuje przemiany fazowe w materiałach ze stopów z pamięcią kształtu. Gdy taki materiał jest mechanicznie naprężany i rozprężany, to jednocześnie pochłania i uwalnia ciepło. Proces ten można powtarzać cyklicznie, tworząc efekt chłodzenia bez jakiejkolwiek emisji gazów. Przez lata technologia ta pozwalała jednak schładzać jedynie do temperatur pokojowych, co było jej główną barierą.
Stop niklu i tytanu oraz chlorek wapnia. Klucz do ujemnych temperatur
Przełom w laboratorium HKUST nastąpił dzięki trzem kluczowym elementom. Pierwszym było opracowanie odpowiedniego materiału czynnego. Zespół wykorzystał w swojej pracy binarny stop niklowo-tytanowy (NiTi) o wysokiej zawartości niklu, wynoszącej 51,2 procent atomowych. Jego kluczową cechą jest obniżona temperatura końca austenitu do -20,8°C, co pozwala materiałowi zachować pożądane właściwości elastokaloryczne nawet w niskich temperaturach. Maksymalna adiabatyczna zmiana temperatury tego stopu wynosi z kolei 16,3°C przy 0°C.
Drugim elementem był płyn roboczy. Zamiast tradycyjnych medium naukowcy zastosowali 30-procentowy wodny roztwór chlorku wapnia. Jego zalety to niska temperatura krzepnięcia, która umożliwia pracę w ujemnych temperaturach oraz dobra zwilżalność powierzchni stopu NiTi, co przekłada się na efektywną wymianę ciepła. Trzecią, nie mniej ważną składową, była sama konstrukcja urządzenia. Prototyp składa się bowiem z ośmiu kaskadowych jednostek, z których każda zawiera trzy cienkościenne rurki ze stopu NiTi. Taka architektura zapewnia wysoki stosunek powierzchni do objętości, wynoszący 8,68 na milimetr i jest wystarczająco wytrzymała, by znosić naprężenie ściskające rzędu 900 megapaskali bez ryzyka wyboczenia.
Woda zamrożona w dwie godziny. Testy prototypu potwierdziły skuteczność
Stworzony na potrzeby badania prototyp swoimi rozmiarami dorównuje niewielkiemu biurku, a pracuje z częstotliwością 1 Hz. W testach osiągnął temperaturę źródła zimna na poziomie -12°C przy temperaturze radiatora wynoszącej 24°C, co daje imponującą różnicę na poziomie 36°C. Stanowi to wyjątkowe, bo pierwsze w historii udokumentowane osiągnięcie temperatury poniżej zera z wykorzystaniem chłodzenia elastokalorycznego.
Czytaj też: Wizja jak z filmu. Pustynia zacznie nadawać się do życia, bo Chiny stawiają na Wielki Zielony Mur
Praktyczne testy zostały przeprowadzone na zewnątrz i w temperaturze otoczenia od 20 do 25°C. System zintegrowany z izolowaną komorą o wymiarach metr na pół metra na pół metra schłodził jej wnętrze do stabilnych -4°C w ciągu godziny. Jeszcze bardziej wymowny był eksperyment z zamrażaniem wody destylowanej, bo 20 mililitrów tej cieczy zamieniło się w lód w ciągu dwóch godzin. Wydajność urządzenia kształtuje się więc obiecująco, bo z gęstością mocy chłodniczej do 1,43 wata na gram w warunkach zerowej różnicy temperatur. Teoretyczny współczynnik wydajności (COP) systemu może jednak sięgać nawet 3,4, co wskazuje na potencjalnie dobrą efektywność energetyczną.
Potencjał redukcji emisji na skalę globalną. Długa droga przed komercjalizacją
Skala problemu, który mógłby rozwiązać ten wynalazek, jest trudna do przecenienia. Z szacowanych 1,2 gigatony ekwiwalentu dwutlenku węgla emitowanego rocznie przez HFC, około 330 milionów ton pochodzi z sektora wymagającego temperatur poniżej zera. Jest to więcej niż łączna roczna emisja gazów cieplarnianych całej Polski. Powszechne wdrożenie technologii elastokalorycznej teoretycznie mogłoby te emisje wyeliminować.
To osiągnięcie demonstruje potencjał zastosowania technologii mrożenia elastokalorycznego na dużą skalę. Współpracujemy z przemysłem, aby napędzać jej komercjalizację. W miarę zaostrzania się globalnych przepisów dotyczących HFC, ta bezemisyjna, energooszczędna technologia mrożenia ma szansę przekształcić sektor mroźniczy przemysłu chłodniczego i zapewnić kluczowe rozwiązanie techniczne dla neutralności węglowej. – mówi Prof. Sun Qingping, lider zespołu badawczego.
Czytaj też: Eureka! Ty patrzysz krzywo na elektryki, a nasze wnuki zapomną o potrzebie ładowania
Zespół nie zamierza poprzestać na tym prototypie. Plany na przyszłość obejmują optymalizację wydajności, zwiększenie gęstości mocy i poprawę opłacalności całego systemu. Droga od laboratoryjnego prototypu do zamrażarki w sklepie lub szpitalu jest jednak zwykle długa i wyboista. Specjaliści muszą bowiem pokonać wyzwania związane z trwałością materiałów, kosztami produkcji i integracją z istniejącą infrastrukturą. Mimo to, w kontekście zaostrzających się przepisów i globalnej presji na dekarbonizację, technologia trafia w ogromną, niezaspokojoną potrzebę rynku. Jeśli uda się przejść przez wszystkie etapy skalowania, przemysł chłodniczy może czekać zmiana na miarę tej, jaką w transporcie przyniosła elektromobilność.
