Китайские учёные представили экологичный прорыв в технологии охлаждения

Китайская исследовательская группа преодолела давний технологический барьер в области охлаждения, представив новый метод, который обещает низкие выбросы углерода, высокую холодопроизводительность и эффективный теплообмен.

Исследование, недавно опубликованное в журнале Nature, посвящено растущему энергопотреблению и проблемам отвода тепла, которые сопровождают стремительное развитие вычислительных мощностей — ключевого компонента в эпоху цифровой экономики.

Современное общество сильно зависит от холодильных технологий — от сохранения продуктов питания до охлаждения центров обработки данных. Однако традиционные парокомпрессионные системы охлаждения сопряжены с высокими экологическими и энергетическими затратами. В Китае холодильные технологии составляют около 2% ВВП, потребляя при этом почти 20% электроэнергии страны и генерируя 7,8% её углеродных выбросов.

Твердотельное охлаждение давно считается более экологичной альтернативой, поскольку оно не использует фторуглеродные хладагенты, вредящие окружающей среде. Однако твёрдые материалы сталкиваются с проблемами эффективности теплопередачи, что ограничивает их практическое применение в крупных масштабах.

Исследовательская группа под руководством профессора Ли Биня из Института исследования металлов Китайской академии наук нашла способ обойти это ограничение, объединив эффект твёрдотельного охлаждения с потоком жидкости.

Изучая соль — роданистый аммоний, широко используемый нетоксичный промышленный материал, — исследователи обнаружили, что её растворение в воде поглощает огромное количество тепла. При приложении давления процесс обращается вспять, вызывая осаждение соли и выделение большого количества тепла. Этот обратимый цикл позволяет осуществлять непрерывное охлаждение по мере попеременного приложения и снятия давления, что делает его идеальным механизмом для холодильных систем.

«В отличие от традиционных методов твёрдотельного охлаждения, где тепло с трудом перемещается через границы материала, наш подход интегрирует хладагент и теплоноситель в единую жидкость, облегчая теплопроводность и интеграцию системы», — сказал Ли.

Лабораторные эксперименты продемонстрировали отличные результаты. При комнатной температуре метод позволил достичь падения температуры почти на 30 °C всего за 20 секунд, в то время как при более высоких температурах диапазон охлаждения достигал 54 °C, что значительно превышает показатели существующих твёрдотельных калорических материалов.

В специально разработанном прототипе холодильного цикла моделирование предполагает холодопроизводительность 67 джоулей на грамм и эффективность, приближающуюся к 77%, демонстрируя потенциал для инженерных приложений. Более того, эксперименты с помощью спектроскопии in-situ доказали стабильность, обратимость и мгновенную реакцию процесса на изменения давления — ключевые требования для практических холодильных систем.

«Эта технология выходит за рамки традиционных принципов охлаждения, основанных на различных фазовых переходах. Превращая «охлаждающую жидкость» в жидкость, которую можно напрямую прокачивать через теплообменники, она прокладывает путь к коммерциализации мощных, безуглеродных холодильных систем для промышленного и домашнего использования», — сказал Ли.

«Это может вдохновить на распространение этого принципа на другие химические составы, что позволит разрабатывать калорические материалы с заданными свойствами, подходящими для различных температурных диапазонов и холодопроизводительности», — добавил он. — «Однако для практического применения необходимы дальнейшие усилия, такие как прорывы в инженерии быстрых и обратимых фазовых переходов, управляемых давлением».

Он подчеркнул, что отличные высокотемпературные характеристики этой технологии делают её «идеальным кандидатом для удовлетворения требований к тепловому менеджменту в вычислительных центрах следующего поколения для искусственного интеллекта». Ожидается, что в этих центрах спрос на охлаждение резко возрастёт вместе с развитием всё более мощных технологий, таких как квантовые вычисления и трёхмерные чипы.