Làm mát là điều cần thiết cho nhiều khía cạnh của cuộc sống hiện đại, từ bảo quản thực phẩm đến làm mát các tòa nhà. Tuy nhiên, các hệ thống làm lạnh thông thường dựa vào các loại khí gây hại cho môi trường, góp phần vào sự nóng lên toàn cầu và làm suy giảm tầng ozone.

Xem thêm: Vật Liệu Siêu Dẫn Ở Nhiệt Độ Thông Thường Được Chế Tạo Thành Công.

Các nhà khoa học đã tìm kiếm các cách thay thế để làm mát mọi thứ mà không gây hại cho môi trường. Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California, Berkeley, đã phát triển một phương pháp làm mát mới sử dụng ion thay cho chất làm lạnh.

Ion là gì và chúng làm mát mọi thứ như thế nào?

Ion là các nguyên tử hoặc phân tử có điện tích, có thể là dương hoặc âm. Chúng có thể được tìm thấy trong nhiều chất, chẳng hạn như muối, nước và không khí.

hệ thống làm lạnh
Chu trình ionocaloric đang hoạt động. Ảnh: Jenny Nuss/Phòng thí nghiệm Berkeley

Khi ion được thêm vào hoặc loại bỏ khỏi một vật liệu, chúng có thể thay đổi các tính chất của nó, chẳng hạn như điểm nóng chảy. Ví dụ, thêm muối vào nước làm giảm điểm đóng băng của nó, đó là lý do tại sao chúng ta sử dụng muối để làm tan băng trên đường có tuyết dày.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nguyên tắc này để tạo ra một chu trình làm mát mà họ gọi là “làm mát ionocaloric”. Họ sử dụng hỗn hợp ethylene carbonate và natri iodide làm vật liệu làm mát.

Bằng cách áp dụng một điện áp nhỏ, họ có thể kiểm soát lượng ion natri trong hỗn hợp. Khi điện áp tăng, nhiều ion natri hơn sẽ đi vào hỗn hợp, làm giảm điểm nóng chảy của nó và khiến nó hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh.

hệ thống làm lạnh
Bốn bước liên quan đến làm lạnh ion nhiệt lượng (tách, kết tinh, trộn và nóng chảy). Ảnh: Lilley, D. và Prasher, R., Science 2022

Khi điện áp giảm, một số ion natri sẽ rời khỏi hỗn hợp, làm tăng điểm nóng chảy của nó và khiến nó giải phóng nhiệt ra môi trường xung quanh. Bằng cách lặp lại chu trình này, các nhà nghiên cứu đã có thể làm mát một tấm kim loại xuống 25 độ C bằng cách sử dụng ít hơn một volt điện tích.

Các lợi ích và thách thức của ionocaloric  

Làm mát bằng ion có một số ưu điểm so với các hệ thống làm lạnh thông thường. Đầu tiên, nó không sử dụng bất kỳ chất làm lạnh gây hại nào có thể rò rỉ vào khí quyển và gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu hoặc suy giảm tầng ozone.

Thứ hai, nó rất tiết kiệm năng lượng, vì nó chỉ cần một lượng điện nhỏ để vận hành chu trình làm mát. Thứ ba, nó có thể được mở rộng và thích ứng, vì nó có thể được áp dụng cho các vật liệu và hình dạng khác nhau tùy theo ứng dụng mong muốn.

Tuy nhiên, ionocaloric cũng phải đối mặt với một số thách thức trước khi có thể được sử dụng rộng rãi. Một thách thức là tìm các vật liệu phù hợp có thể thể hiện sự thay đổi nhiệt độ lớn và thời gian phản ứng nhanh dưới điện áp thấp.

Một thách thức khác là thiết kế các hệ thống có thể truyền nhiệt hiệu quả giữa vật liệu làm mát và vật cần được làm mát. Một thách thức thứ ba là kiểm tra độ bền và độ tin cậy của chu trình ionocaloric dưới các điều kiện và môi trường khác nhau.

Tương lai của ionocaloric

Các nhà nghiên cứu tin rằng ionocaloric có khả năng cách mạng hóa lĩnh vực làm lạnh và cung cấp một giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường cho nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau.

Họ hy vọng rằng công việc của họ sẽ truyền cảm hứng cho nghiên cứu và phát triển thêm về vật liệu và hệ thống ionocaloric, và cuối cùng dẫn đến các sản phẩm thương mại có thể thay thế các công nghệ làm lạnh hiện tại.

Nghiên cứu đăng trên: Science

Share.
Theo dõi
Thông báo của
guest
0 Góp ý
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả bình luận