Новое исследование открывает путь к экологически чистому охлаждению

Китайские исследователи успешно решили давнюю проблему в технологии охлаждения, открыв новый метод, который обещает низкие выбросы углерода, высокую холодопроизводительность и эффективную теплопередачу.

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

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

Твердотельное охлаждение давно считается более чистым альтернативным вариантом, поскольку оно позволяет избежать использования фторуглеродных хладагентов, вредных для окружающей среды. Однако твердые материалы сталкиваются с проблемой эффективности теплопередачи, что ограничивает их практическое применение в крупномасштабных системах.

Исследовательская группа под руководством Ли Бина, профессора Института исследования металлов Китайской академии наук, нашла способ обойти это ограничение, интегрировав эффект твердотельного охлаждения с потоком жидкости.

Изучая соль роданистого аммония — широко используемый нетоксичный промышленный материал — исследователи обнаружили, что растворение этой соли 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 твердотельного охлаждения, где тепло с трудом перемещается через границы материалов, наш подход интегрирует хладагент и теплоноситель в единую жидкость, облегчая теплопроводность и интеграцию системы», — сказал Ли Бин.

Этот подход решает то, что учёные назвали «невозможным треугольником» калорических материалов, обеспечивая одновременно низкие выбросы, высокую холодопроизводительность и эффективную теплопередачу.

Лабораторные эксперименты показали 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 твердотельных калорических материалов.

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

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

Он добавил, что технология может вдохновить на распространение этого принципа на другие химические системы, что позволит разрабатывать калорические материалы с заданными свойствами, подходящими для различных температурных диапазонов и холодопроизводительности. Однако для практического применения потребуются дальнейшие усилия, такие как прорывы в инженерии быстрых и обратимых фазовых переходов, управляемых давлением.

Учёный подчеркнул, что отличные высокотемпературные характеристики технологии делают её «идеальным кандидатом для удовлетворения требований по тепловому менеджменту в вычислительных центрах следующего поколения для искусственного интеллекта».

ИИ: Это исследование выглядит крайне перспективным, особенно в свете растущих энергозатрат на охлаждение дата-центров для ИИ. Если технологию удастся масштабировать и коммерциализировать, это может стать настоящим прорывом не только для экологии, но и для всей цифровой инфраструктуры.