10 Minute
Cercetătorii au dezvăluit un concept nou de refrigerare numit răcire ionocalorică — o tehnică care folosește particule încărcate pentru a declanșa tranziții de fază și a absorbi căldura. Promițând câștiguri semnificative de eficiență și un impact climatic mult mai scăzut decât refrigeranții uzuali, sistemele ionocalorice ar putea schimba modul în care răcim clădiri, alimente și echipamente electronice.
How ionocaloric cooling actually works
Majoritatea frigiderelor moderne se bazează pe cicluri cu compresie de vapori: un lichid se evaporă pentru a absorbi căldura, apoi este comprimat și condensat pentru a elibera energia termică în altă parte. Această abordare este verificată și eficientă, dar unele dintre gazele folosite (în special hidrofluorocarburile, HFC) au un potențial mare de încălzire globală (GWP). Răcirea ionocalorică urmează o cale diferită, exploatând fizica schimbărilor de fază — și mișcarea ionilor — pentru a transfera căldura.
Gândiți-vă la un bloc de gheață. Când îi furnizăm căldură, gheața se topește, iar topirea absoarbe energie din mediul înconjurător, răcind astfel atmosfera imediată. Sistemele ionocalorice provoacă un efect similar fără a necesita fluctuații mari de temperatură: prin modificarea punctului de topire al unui material prin introducerea sau deplasarea ionilor, materialul poate absorbi sau elibera căldură la cerere.
În practică, ciclul ionocaloric folosește un curent electric pentru a deplasa particule încărcate printr-un fluid sau solvent. Acei ioni schimbă interacțiunile intermoleculare și modifică temperatura la care substanța își schimbă faza. În experimente de laborator la Lawrence Berkeley National Laboratory și UC Berkeley, cercetătorii au aplicat un bias electric mic pentru a mișca ionii și au înregistrat variații dramatice de temperatură.
Ilustrarea conceptului ciclului ionocaloric. (Jenny Nuss/Berkeley Lab)
Key experiments and surprising performance
În experimente raportate în revista Science, echipa a testat un săruri obținută din sodiu și iod pentru a topi carbonatul de etilenă, un solvent organic comun folosit și în bateriile litiu‑ion. Carbonatul de etilenă poate fi produs din dioxid de carbon, ceea ce deschide posibilitatea ca un sistem ionocaloric funcțional să aibă un GWP net-zero sau chiar negativ, în funcție de lanțul de aprovizionare și de materialele folosite.
Remarcabil a fost amplitudinea schimbării de temperatură: cercetătorii au înregistrat o variație de aproximativ 25 °C după aplicarea a mai puțin de un volt. Acest rezultat depășește multe dintre abordările calorice dezvoltate până în prezent și sugerează un potențial puternic pentru aplicații practice de răcire și încălzire folosind intrări electrice foarte mici.
Un punct cheie este eficiența energetică a ciclului raportată în teste. Deoarece ionii modifică direct proprietățile termodinamice ale mediului de lucru, conversia energiei electrice în efect termic poate fi mult mai directă decât în sistemele care implică compresie mecanică, încălzire-extindere repetată sau gestionarea unor fluxuri mari de gaze. Aceasta conduce la perspective reale de economii energetice — un aspect esențial atât pentru facturile de utilități, cât și pentru reducerea emisiilor indirecte asociate cu producția de electricitate.
„Peisajul refrigeranților este o problemă nerezolvată,” a spus Drew Lilley, inginer mecanic la Lawrence Berkeley National Laboratory. „Nimeni nu a dezvoltat cu succes o soluție alternativă care să răcească eficient, să fie sigură și să nu afecteze mediul. Credem că ciclul ionocaloric are potențialul de a îndeplini toate aceste obiective, dacă este implementat corespunzător.”
Mai mult, cercetătorii au construit modele termodinamice pentru a compara performanța teoretică a ciclului ionocaloric cu refrigerantele convenționale. Rezultatele preliminare indică faptul că ciclurile ionocalorice ar putea fi competitive din punct de vedere al eficienței energetice, oferind în același timp reduceri substanțiale ale impactului asupra mediului — cu condiția ca materialele și sistemele să fie proiectate pentru utilizare în condiții reale.
Ciclul ionocaloric în acțiune. (Jenny Nuss/Berkeley Lab)
Why this matters for climate policy and industry
Sistemele actuale de refrigerare depind în mare măsură de HFC-uri, pe care multe țări le reduc treptat în baza unor acorduri internaționale precum Amendamentul de la Kigali. Acest tratat obligă semnatarii să reducă dramatic producția și consumul de HFC-uri în următorii 25 de ani. O tehnologie ionocalorică practică ar putea reprezenta o parte importantă a tranziției, oferind o alternativă cu GWP redus care încă îndeplinește cerințele de performanță.
Dincolo de beneficiile climatice, sistemele ionocalorice pot aduce și alte avantaje: riscuri mai scăzute legate de inflamabilitate și toxicitate (în funcție de materialele alese), precum și abilitatea de a funcționa exclusiv pe bază de energie electrică, cu control fin al temperaturii prin modularea fluxului de ioni. Aceste proprietăți fac tehnologia atractivă pentru integrare în sisteme HVAC, echipamente frigorifice comerciale, pompe de căldură și aplicații sensibile precum centre de date sau camioane frigorifice.
De asemenea, cercetătorii investighează inversarea ciclului — utilizarea fenomenului pentru a furniza căldură — ceea ce ar extinde aplicațiile la pompe de căldură eficiente pentru clădiri. O astfel de dublă funcționalitate (răcire/încălzire) este esențială pentru adoptarea pe scară largă, deoarece permite echipamentelor să servească cerințe sezoniere diverse și să maximizeze utilitatea instalațiilor existente.
Implicarea industriei este esențială: producătorii de echipamente frigorifice, companiile de energie și reglementatorii trebuie să colaboreze pentru a defini standarde, certificări de siguranță și trasee de adopție. Politicile publice care încurajează tehnologiile cu emisii reduse și oferă stimulente pentru cercetare și implementare vor grăbi înlocuirea treptată a refrigeranților cu potențial climatic mare.
Engineering challenges and the road to commercialization
Rezultatele din laborator sunt promițătoare, dar trecerea unui nou ciclu termodinamic la echipamente fiabile și cu costuri competitive reprezintă o provocare inginerească complexă. Echipele trebuie să echilibreze trei factori principali: GWP al fluidelor de lucru, eficiența energetică generală și costul echipamentelor. Testele inițiale sugerează că abordările ionocalorice pot fi favorabile în toate cele trei domenii, dar acest lucru trebuie confirmat pe parcursul ciclurilor pe termen lung, sub sarcini reale și în conformitate cu standardele de siguranță industrială.
Lucrările în desfășurare includ screening-ul diferitelor săruri și solvenți pentru a găsi combinațiile optime în termeni de stabilitate, capacitate termică și reciclabilitate. Alegerea materialelor stabile pe termen lung, care nu degradează membranele sau electrozii, este esențială pentru durabilitate. De asemenea, inginerii examinează proiecte de schimbătoare de căldură și module modulate pentru a minimiza pierderile termice și pentru a permite controlul adaptiv la cererea reală de răcire.
În 2025, o echipă internațională a publicat o versiune eficientă a ciclului care folosea săruri pe bază de nitrat, reciclate cu ajutorul câmpurilor electrice și membranelor selective — exact tipul de inovație în materiale pe care grupul de la Berkeley se aștepta să o urmeze după demonstrația inițială. Acele progrese sugerează că există un traseu tehnologic clar pentru optimizarea performanței și pentru reducerea costurilor prin inovare în materiale și fabricație.
Probleme practice precum coroziunea, pierderile electrice, managementul produselor secundare chimice și integrarea cu sisteme existente (de exemplu, compresoare electrice, circuite frigorifice hibride sau infrastructură de distribuție a frigului) trebuie, de asemenea, adresate în etapele de proiectare. În plus, certificările de siguranță și testele de compatibilitate cu normele locale și internaționale vor determina ritmul comercializării.
„Există trei aspecte pe care încercăm să le echilibrăm: GWP al refrigerantului, eficiența energetică și costul echipamentului în sine,” a spus Ravi Prasher, tot inginer mecanic la Berkeley Lab. „De la prima încercare, datele noastre arată promițător în toate cele trei direcții.”
Expert Insight
„Răcirea ionocalorică reprezintă o îmbinare elegantă între electrochimie și termodinamică,” afirmă Dr. Lena Park, inginer de sisteme climate-tech care a consiliat mai multe startup‑uri din domeniul răcirii curate. „Fizica de bază este solidă, iar oscilațiile de temperatură timpurii sunt impresionante. Dar adevăratul test va fi durabilitatea materialelor și modul în care aceste sisteme se integrează cu aparatele și infrastructura HVAC existente. Dacă aceste obstacole sunt depășite, dispozitivele ionocalorice pot reduce dramatic amprenta climatică a răcirii la nivel global.”
Cercetătorii se concentrează în prezent pe optimizarea materialelor, teste de ciclare pe durate lungi și prototipuri inginerești care pot fi evaluate în condiții realiste. Măsurarea performanței sub sarcini variabile, efectuarea de teste de mediu și evaluarea cost‑beneficiu pe ciclul de viață sunt pași necesari pentru a cuantifica avantajele economice și de mediu.
Dacă vor avea succes, sistemele ionocalorice ar putea migra rapid de pe bancurile de laborator către fabrici, supermarketuri, centre de date și locuințe — un exemplu rar de ciclu termodinamic nou cu relevanță climatică imediată. Adoptarea pe scară largă ar putea contribui semnificativ la obiectivele de neutralitate climatică prin reducerea emisiilor directe și a celor aferente consumului de energie. Mai mult, integrarea cu sursele de energie regenerabilă și cu sisteme inteligente de gestionare a energiei ar putea amplifica beneficiile în termeni de eficiență și flexibilitate operațională.
Pe termen mediu și lung, dezvoltarea industriei va necesita colaborare între cercetare academică, producători de echipamente, investitori și organisme de reglementare pentru a defini protocoale de testare, standarde de interoperabilitate și lanțuri de aprovizionare sustenabile pentru materialele esențiale. În plus, educația utilizatorilor finali și programele pilot în medii comerciale vor juca un rol important în validarea performanței și în acumularea de date operaționale care să susțină decizii de investiții.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu