9 دقیقه
پژوهشگران یک مفهوم جدید برای سیستمهای تبرید معرفی کرده‌اند که آن را «سرمایش یونوکالوریک» می‌نامند — روشی که از ذرات باردار برای القای تغییر فاز و جذب گرما استفاده میکند. این فناوری وعده افزایش قابل‌توجه در بازده انرژی و کاهش شدید اثرات زیستمحیطی نسبت به مبردهای رایج امروز را می‌دهد و میتواند شیوه خنک‌کردن ساختمان‌ها، مواد غذایی و تجهیزات الکترونیکی را تغییر دهد.
نحوه عملکرد واقعی سرمایش یونوکالوریک
بیشتر یخچال‌ها و سیستمهای تهویه مطبوع امروزی بر سیکلهای تراکم بخار تکیه دارند: سیال تبخیر می‌شود تا گرما را جذب کند، سپس فشرده و متراکم می‌شود تا گرما را در نقطه دیگری آزاد کند. این روش اثبات‌شده و کارآمد است، اما برخی از گازهای مورد استفاده (به‌ویژه هیدروفلوئوروکربن‌ها، HFCها) پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) بالایی دارند. سرمایش یونوکالوریک مسیر متفاوتی را طی میکند و بر فیزیک تغییر فاز — و حرکت یونها — برای انتقال گرما تکیه دارد.
یک تکه یخ را تصور کنید. ورود گرما یخ را ذوب میکند و فرایند ذوب انرژی را از محیط جذب میکند و آن را خنک می‌سازد. سیستمهای یونوکالوریک تغییر فاز مشابهی را بدون نیاز به دامنه بزرگِ تغییرات دمایی القا می‌کنند: با جابجایی یا وارد کردن یونها می‌توان نقطه ذوب ماده را تغییر داد و به این ترتیب ماده را به‌گونه‌ای آماده نمود که به‌دلخواه گرما جذب یا آزاد کند.
در عمل، سیکل یونوکالوریک از جریان الکتریکی برای جابه‌جایی ذرات باردار درون یک سیال یا حلال استفاده میکند. این یونها بر تعاملات بینمولکولی اثر می‌گذارند و دمایی را که در آن ماده تغییر فاز می‌دهد جابجا می‌کنند. در آزمایش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، محققان با اعمال مقدار کم ولتاژ، یونها را حرکت دادند و تغییرات دمایی چشمگیری اندازه‌گیری کردند؛ پدیده‌ای که نشان‌دهنده پتانسیل بالای سرمایش یونوکالوریک در کاربردهای عملی است.
تصویری از مفهوم سیکل یونوکالوریک. (جنی نوس/آزمایشگاه برکلی)
آزمایش‌های کلیدی و عملکرد شگفت‌آور
در آزمایش‌هایی که در نشریه Science گزارش شد، تیم تحقیقاتی نمکی تهیه‌شده از سدیم و ید را برای ذوب کردن اتیلن کربنات مورد آزمایش قرار داد؛ حلالی آلی که در باتری‌های لیتیوم-یون نیز کاربرد دارد. از آنجا که اتیلن کربنات را می‌توان از دیاکسید کربن تولید کرد، این امکان فراهم می‌شود که یک سیستم یونوکالوریک عملی بتواند اثر خالص انتشار گازهای گلخانه‌ای برابر با صفر یا حتی منفی داشته باشد.
آنچه بیش از همه جلب توجه می‌کرد، مقیاس تغییر دما بود: محققان تقریباً جابجایی دماییِ 25 درجه سلسیوس را تنها با اعمال کمتر از یک ولت ثبت کردند. این نتیجه از بسیاری از رویکردهای سرمایشی کالریک که تا کنون توسعه یافته‌اند فراتر رفته و نشانگر پتانسیل قوی برای کاربردهای سرمایش و گرمایش عملی با ورودی‌های الکتریکی بسیار کوچک است.
«چشم‌انداز مبردها هنوز یک مسئله حل‌نشده است،» درو لیلی، مهندس مکانیک در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، می‌گوید. «هیچ‌کس تا کنون راه‌حلی جایگزین که قادر به سرد کردن، کارآمد بودن، ایمن بودن و کم‌ضرر بودن برای محیط زیست به‌طور هم‌زمان باشد را به‌طور کامل ارائه نکرده است. ما معتقدیم سیکل یونوکالوریک پتانسیل رسیدن به همه این اهداف را دارد، اگر به‌درستی عملیاتی شود.»
محققان همچنین عملکرد ترمودینامیکی را مدل‌سازی و آن را با مبردهای متعارف مقایسه کردند. نتایج اولیه نشان می‌دهد که سیکلهای یونوکالوریک میتوانند از نظر بهره‌وری انرژی رقیب‌پذیر باشند و در عین حال کاهش‌های بزرگی در اثرات زیستمحیطی فراهم کنند — به شرطی که مواد و سامانه‌ها برای استفاده در شرایط واقعی مهندسی شوند.
عملکرد سیکل یونوکالوریک در عمل. (جنی نوس/آزمایشگاه برکلی)
اهمیت این فناوری برای سیاست‌گذاری اقلیمی و صنعت
سیستمهای تبرید فعلی عمدتاً به HFCها وابسته‌اند، موادی که بسیاری از کشورها در چارچوب توافق‌هایی مانند اصلاحیه کیگالی در حال کاهش مصرف و تولید آن‌ها هستند. این پیمان از عضوها می‌خواهد تولید و مصرف HFCها را در 25 سال آینده بهصورت چشمگیری کاهش دهند. یک فناوری یونوکالوریک عملی میتواند بخشی مهم از این گذار باشد و جایگزینی با پتانسیل GWP پایین ارائه کند که همچنان نیازهای عملکردی را برآورده می‌سازد.
فراتر از مزایای اقلیمی، سیستمهای یونوکالوریک میتوانند مزایای دیگری نیز داشته باشند: کاهش خطر اشتعال و سمیت (بسته به انتخاب مواد)، و قابلیت کار با برق و کنترل دقیق دما از طریق تنظیم جریان یون. پژوهشگران همچنین معکوس کردن سیکل — یعنی استفاده از آن برای تولید گرما — را بررسی می‌کنند که در صورت موفقیت، دامنه کاربردها را به پمپ‌های حرارتی و سامانه‌های HVAC ساختمان‌ها گسترش می‌دهد.
چالشهای مهندسی و مسیر تا تجاریسازی
نتایج آزمایشگاهی امیدوارکننده است، اما مقیاس‌بندی یک سیکل ترمودینامیکی جدید به تجهیزات قابل‌اطمینان و مقرون‌به‌صرفه، یک چالش مهندسی پیچیده محسوب می‌شود. تیم‌ها باید بین سه عامل اصلی تعادل برقرار کنند: پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) سیالِ عامل، بازده انرژی کلی، و هزینه تجهیزات. آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد رویکردهای یونوکالوریک میتوانند در هر سه بعد مزیت داشته باشند، اما این مزیت باید در دوره‌های سیکل‌کاری طولانیمدت، در بارهای واقعی و طبق استانداردهای ایمنی صنعتی نیز حفظ شود.
کارهای جاری شامل غربالگری نمک‌ها و حلال‌های مختلف برای یافتن ترکیب‌های بهینه از نظر پایداری، ظرفیت گرمایی، و قابل‌بازیافت‌بودن است. در سال 2025، یک تیم بین‌المللی نسخه‌ای کارآمد از این سیکل را با استفاده از نمکهای نیترات‌محور منتشر کرد که با میدان‌های الکتریکی و غشاهای انتخابی بازیافت می‌شدند — دقیقاً نوع نوآوری مواد که گروه برکلی انتظار داشت پس از اثبات اولیه مفهوم دنبال شود.
«ما در تلاشیم بین سه چیز تعادل برقرار کنیم: GWP مبرد، بازده انرژی، و هزینه خود تجهیزات،» می‌گوید راوی پراشر، دیگر مهندس مکانیک در آزمایشگاه برکلی. «از همان تلاش نخست، داده‌های ما در هر سه جنبه بسیار امیدوارکننده به‌نظر می‌رسد.»
دیدگاه کارشناسان
«سرمایش یونوکالوریک ترکیبی ظریف از الکتروشیمی و ترمودینامیک است،» دکتر لنا پارک، مهندس سامانه‌های فناوری اقلیمی که به چند استارتاپ خنک‌کننده پاک مشاوره داده است، می‌گوید. «فیزیک پشت این پدیده محکم است و نوسانات دمایی اولیه چشمگیرند. اما آزمون واقعی، دوام مواد و نحوه یکپارچه‌شدن این سیستم‌ها با لوازم و زیرساختهای HVAC موجود خواهد بود. اگر این موانع برطرف شوند، دستگاه‌های یونوکالوریک میتوانند ردپای اقلیمی خنک‌سازی در سراسر جهان را به‌طرزی قابل‌توجه کاهش دهند.»
محققان اکنون بر بهینه‌سازی مواد، آزمون‌های سیکل‌کاری بلندمدت و ساخت نمونههای مهندسی متمرکز شده‌اند که در شرایط واقعی قابل ارزیابی باشند. در صورت موفقیت، سرمایش یونوکالوریک میتواند سریعاً از میزهای آزمایشگاهی به کارخانه‌ها، سوپرمارکت‌ها، دیتاسنترها و خانه‌ها انتقال یابد — نمونه‌ای نادر از یک سیکل ترمودینامیکی جدید که فوراً مرتبط با راه‌حل‌های اقلیمی است.
برای درک بهتر جایگاه این فناوری در منظومه فناوریهای سردسازی پاک و کم‌انتشار، لازم است به چند جنبه فنی و کاربردی توجه شود:
- انتخاب مواد کاری: نوع یونها، حلال‌ها و ساختارهای پلیمری یا غشایی که جریان یونی را هدایت می‌کنند برای پایداری و قابلیت بازیافت حیاتی است. پژوهش‌ها روی نمکهای نیترات، سولفات و ترکیبات آلی یونی ادامه دارد تا بهترین نسبت میان ظرفیت گرمایی و ماندگاری شیمیایی حاصل شود.
- بازده انرژی سیکل: اندازه‌گیری COP (ضریب عملکرد) در شرایط مختلف بار و دما باید به‌دقت انجام شود تا میزان صرفه‌جویی انرژی واقعی نسبت به سیکلهای تراکم بخار مشخص گردد. شبیه‌سازی‌های ترمودینامیکی و آزمایش‌های عملی مکمل هم رشد فناوری را تسریع خواهند کرد.
- ایمنی و مسئولیت‌پذیری زیستمحیطی: ارزیابی چرخهعمر (LCA) برای تعیین اثرات کلان زیستمحیطی از استخراج مواد اولیه تا پایان عمر سیستم حیاتی است. علاوه بر این، خطرات احتمالی مانند خورندگی، انتشار یونها یا واکنش‌های ناخواسته باید مدیریت شوند.
- قابلیت یکپارچگی با زیرساخت‌ها: تطبیق و سازگاری با تجهیزات موجود در ساختمان‌ها، سوپرمارکت‌ها و دیتاسنترها نیازمند طراحی ماژولار و استانداردسازی خواهد بود تا نصب و نگهداری اقتصادی و ساده باشد.
در حوزه کاربردهای خاص، سرمایش یونوکالوریک میتواند نقاط قوت برجسته‌ای داشته باشد. برای نمونه در دیتاسنترها که نیاز به کنترل دقیق و پیوسته دما و مدیریت حرارت بالاست، استفاده از سیستمهای قابل تنظیم الکتریکی که سریعاً پاسخ دهند و خطر نشت مبرد را نداشته باشند، میتواند جذابیت بالایی داشته باشد. مشابه آن، در صنایع غذایی که ریسک آلودگی و ایمنی محصول مهم است، کاهش استفاده از مبردهای مضر و جایگزینی آن‌ها با مواد قابل بازیافت و کم‌خطر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
پیش‌بینی مسیر تجاریسازی معمولاً شامل مراحل زیر است: اثبات مفهوم در سطح آزمایشگاهی، ساخت نمونههای مهندسی کوچکتر برای آزمایش‌های میدانی، مقیاس‌بندی قطعات و مواد تولیدی، و در نهایت ورود به بازار با تمرکز اولیه بر بخش‌هایی که بیشترین ارزش افزوده و کمترین موانع مقرراتی را دارند. همکاری میان دانشگاه‌ها، مراکز تحقیقاتی و صنایع سردسازی برای عبور از این موانع حیاتی است.
در مجموع، سرمایش یونوکالوریک به‌عنوان یک مفهوم نوظهور در تقاطع علم مواد، الکترومکانیک و ترمودینامیک قرار دارد و با سرمایه‌گذاری پژوهشی هدفمند میتواند به یک راه‌حل صنعتی اثرگذار تبدیل شود. بهره‌گیری از این فناوری مستلزم تلاش‌های چندرشته‌ای، توسعه استانداردهای آزمایشی و طراحی سیستمی است که عملکرد، ایمنی و اثرات محیطی را به‌طور هم‌زمان بهینه کند.
منبع: sciencealert
نظرات
پمپزون
یه ذره حس میکنم دارن زود قهرمانش میکنن؛ هنوز مراحل تجاریسازی و هزینه و نگهداری جا افتاده نیست، اما پتانسیل داره
مکس_
تفکر جالبی‌ست. ترکیب الکتروشیمی و ترمودینامیک منطقیه، ولی استانداردسازی و LCA لازمه، تستهای میدانی خیلی مهمن
رضام
من با سیستمهای خنک‌کننده سر و کار داشتم، کنترل الکتریکی جذابه، فقط نگران دوام و سیکلهای طولانیمدت هستم، اگه حل بشه خیلی خوبه
لابکور
آیا پایداری مواد و خورندگی رو دقیق بررسی کردن؟ خیلی نتایج آزمایشگاهی امیدوارکننده‌ست اما سوالای زیادی هست...
توربو
معقول به نظر میاد، ولی اگه هزینه تولید یا نگهداری بالا باشه، کاربردش محدود می‌مونه. امیدوارم مقرون‌به‌صرفه باشه
دیتاوا
وااای، 25 درجه با کمتر از یک ولت؟! یعنی آینده ی یخچال‌ها ممکنه عوض شه... اگه واقعیه جاااان، شوکه‌ام
ارسال نظر