فناوری جدید خنک‌سازی یونوکالریک: راهی برای آینده‌ای پایدار و بدون آسیب به محیط زیست

مکانیزم خنک‌سازی یونوکالریک

برخلاف سیستم‌های تبرید سنتی که از سیالات مبرد مضر برای محیط زیست استفاده می‌کنند، روش خنک‌سازی یونوکالریک (ionocaloric) از اصول ترمودینامیکی تغییر حالت مواد بهره می‌برد. این روش که توسط محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشگاه کالیفرنیا برکلی توسعه یافته است، بر این ایده استوار است که چگونه یک ماده هنگام تغییر حالت، مانند تبدیل یخ جامد به آب مایع، انرژی گرمایی را ذخیره یا آزاد می‌کند.

• جذب گرما هنگام ذوب: هنگامی که یخ ذوب می‌شود، گرما را از محیط اطراف خود جذب کرده و باعث خنک شدن آن می‌شود.
• نقش یون‌ها: برای ذوب کردن یخ بدون افزایش دما، می‌توان یون‌ها یا ذرات باردار را به آن اضافه کرد. این پدیده مشابه ریختن نمک روی جاده‌ها برای جلوگیری از یخ‌زدگی است.
• چرخه یونوکالریک: این چرخه نیز از نمک برای تغییر حالت یک سیال و در نتیجه خنک کردن محیط اطراف آن استفاده می‌کند.

چرا یونوکالریک یک راه‌حل امیدوارکننده است؟

درو لیلی، مهندس مکانیک از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، بر اهمیت یافتن جایگزینی برای مبردهای فعلی تأکید می‌کند: «چشم‌انداز مبردها یک مشکل حل نشده است. هیچ‌کس با موفقیت راه‌حل جایگزینی را که مواد را سرد کند، کارآمد باشد، ایمن باشد و به محیط زیست آسیب نرساند، توسعه نداده است. ما فکر می‌کنیم چرخه یونوکالریک در صورت تحقق مناسب، پتانسیل دستیابی به همه این اهداف را دارد.»

عملکرد و کارایی

محققان با مدل‌سازی نظریه چرخه یونوکالریک نشان دادند که این روش می‌تواند با مبردهای کنونی رقابت کرده و حتی آنها را بهبود بخشد. در این سیستم، جریانی که از آن عبور می‌کند، یون‌ها را به حرکت درآورده و نقطه ذوب ماده را برای تغییر دما تغییر می‌دهد.

نتایج آزمایشگاهی چشمگیر

تیم تحقیقاتی آزمایش‌هایی را با استفاده از نمکی ساخته شده با ید و سدیم برای ذوب کربنات اتیلن انجام دادند. این حلال آلی که در باتری‌های لیتیوم-یون نیز کاربرد دارد، با استفاده از دی‌اکسید کربن تولید می‌شود. نتایج این آزمایش‌ها بسیار امیدوارکننده بود:

این تغییر دمایی که با اعمال بار بسیار کمی به دست آمد، از دستاوردهای سایر فناوری‌های کالریک تاکنون فراتر می‌رود.

راوی پراشر، مهندس مکانیک از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، اظهار داشت: «ما در تلاش برای ایجاد تعادل بین سه چیز هستیم: GWP مبرد، بهره‌وری انرژی و هزینه خود تجهیزات. داده‌های ما از اولین تلاش در هر سه جنبه بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسند.»

تعهدات جهانی و آینده یونوکالریک

سیستم‌های فشرده‌سازی بخار که در حال حاضر در فرآیندهای تبرید استفاده می‌شوند، به گازهای با GWP بالا، مانند هیدروفلوئوروکربن‌های مختلف (HFC) متکی هستند. کشورهایی که به «اصلاحیه کیگالی» پیوسته‌اند، متعهد شده‌اند که تولید و مصرف HFCها را در طول ۲۵ سال آینده حداقل ۸۰ درصد کاهش دهند. خنک‌سازی یونوکالریک می‌تواند نقش مهمی در دستیابی به این هدف ایفا کند.

چالش‌ها و گام‌های بعدی

اکنون چالش اصلی، تبدیل این فناوری از محیط آزمایشگاه به سیستم‌های عملی و تجاری است که بتوانند در مقیاس بزرگ تولید شوند. تحقیقات کنونی بر آزمایش نمک‌های مختلف برای یافتن مؤثرترین ترکیبات در جذب گرما متمرکز است.

در سال ۲۰۲۵، تیمی بین‌المللی از محققان نتایج مطالعه خود را بر روی نسخه‌ای بسیار کارآمد که از نمک‌های مبتنی بر نیترات استفاده می‌کند و با استفاده از میدان‌های الکتریکی و غشاها بازیافت می‌شود، منتشر کردند. پراشر افزود: «ما این چرخه و چارچوب ترمودینامیکی کاملاً جدید را داریم که عناصری از زمینه‌های مختلف را گرد هم می‌آورد و نشان داده‌ایم که می‌تواند کار کند. اکنون زمان آزمایش و آزمودن ترکیبات مختلف مواد و تکنیک‌ها برای مقابله با چالش‌های مهندسی فرا رسیده است.»

این پژوهش پیشگامانه در مجله معتبر Science منتشر شده است.