znanost 30.8.2018 7:30

Slovenski raziskovalci vodijo revolucijo na področju hladilne tehnologije

Ljubljana, 30. avgusta - Večina hladilnih naprav danes še vedno temelji na tehnologiji hlajenja, ki je stara že preko 100 let, ni dovolj učinkovita ter ima visok ogljični odtis. Znanstveniki si zato prizadevajo najti nove, alternativne tehnologije, ki bodo prinesle revolucijo na področju hlajenja. V ospredju teh prizadevanj so tudi slovenski znanstveniki, ki iščejo rešitve za okolju prijazne in energetsko bolj učinkovite hladilne tehnologije.

Ljujbljana, Fakulteta za Strojništvo.
Intervju z raziskovalcem Jako Tuškom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljujbljana, Fakulteta za Strojništvo.
Intervju z raziskovalcem Jako Tuškom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljujbljana, Fakulteta za Strojništvo.
Intervju z raziskovalcem Jako Tuškom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljujbljana, Fakulteta za Strojništvo.
Intervju z raziskovalcem Jako Tuškom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljujbljana, Fakulteta za Strojništvo.
Intervju z raziskovalcem Jako Tuškom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Pred dobrimi 100 leti je ameriška družba General Electric začela proizvajati prve komercialne hladilnike, za katere je bilo takrat potrebno odšteti 520 dolarjev, kar bi danes naneslo približno 7000 dolarjev. Hladilniki so temeljili na parno-kompresorski tehnologiji, ki je še danes uporabljamo v vseh hladilnih napravah.

Problem te tehnologije pa je po besedah raziskovalca z ljubljanske fakultete za strojništvo Jake Tuška v tem, da ni dovolj učinkovita, saj na enoto hladu, ki ga ustvari, porabi preveč elektrike. Poleg tega oddaja šume in vibracije, velik problem pa so tudi hladilna sredstva, na katerih temelji tehnologija. Ta pri prehajanju iz sistema v okolje povzročajo učinek tople grede, ki je nekaj več kot tisočkrat večji od učinka CO2.

Potrebe po hlajenju zaradi vse hitrejšega razvoja držav, kot so Kitajska, Indija in južnoameriške države, ter globalnega segrevanja zelo hitro naraščajo. Če se bo trend nadaljeval, bo energija za hlajenje v naslednjih 20 ali 30 letih presegla energijo, potrebno za ogrevanje, ter do konca stoletja postala glavni potrošnik električne energije, je povedal Tušek.

Parno-kompresorska tehnologija je po njegovih besedah sicer napredovala, postala je bolj učinkovita ter okolju prijazna, a je v zadnjih letih dosegla mejo, zato drastičnih izboljšav te tehnologije ni več pričakovati.

Raziskovalci zato že vrsto let raziskujejo alternative parno-kompresorski tehnologiji, ki temeljijo na drugačnih fizikalnih principih. Največji potencial so v zadnjem desetletju izkazale kalorične tehnologije hlajenja z uporabo feroičnih materialov.

Alternativne tehnologije hlajenja

Med kalorične tehnologije hlajenja spadajo magnetokalorično, elektrokalorično in elastokalorično hlajenje. Posebnost teh tehnologij so feroični materiali, trdnine z unikatnimi lastnostmi, ki se, ko jih izpostavimo zunanjemu vplivu, kažejo tudi kot segrevanje in ohlajanje materiala.

Ker škodljiva hladilna sredstva, ki jih najdemo v parno-kompresorskih tehnologijah, nadomešča trdnina, so tovrstne tehnologije okolju bolj prijazne. Trdnina namreč ne more uhajati v okolico in škodovati okolju.

Najbolj razvito je področje magnetokaloričnega hlajenja, na svetu namreč obstaja že približno 100 prototipov magnetnih hladilnikov. Kljub temu da ta velja za tehnologijo z enim večjih potencialov za prihodnost hlajenja, pa je težava v njeni ceni. Ker temelji na uporabi redkih zemelj, je izjemo draga, zato ni konkurenčna parno-kompresorski.

V zadnjih nekaj letih se tako za tehnologijo z največjim potencialom izkazuje elastokalorična tehnologija hlajenja. Tehnologija sicer še ni na enaki stopnji razvoja kot magnetokalorična tehnologija, kljub temu pa poročila ameriškega ministrstva za energijo ter Evropske komisije kažejo, da bi lahko ravno ta tehnologija v naslednjih 10 letih zamenjala parno-kompresorsko.

Elastokalorično hlajenje

Elastokalorično hlajenje temelji na elastokaloričnem učinku, ki ga zaznamo kot segrevanje in ohlajanje superelastičnih materialov z oblikovnim spominom, med katerimi je najbolj uporabljeno zlitje niklja in titana. Temperaturne spremembe so v materialu pri elastokalorični tehnologiji za razred večje od ostalih dveh kaloričnih tehnologij, zaradi česar tej tehnologiji pripisujejo največji potencial.

Teoretični modeli kažejo, da so elastokalorične tehnologije lahko do 30 odstotkov bolj učinkovite od parno-kompresorskih. "Kalorični učinki v nekaterih materialih nimajo nobenih ireverzibilnih izgub, kar pomeni, da so lahko teoretično, ob neupoštevanju ostalih sistemskih izgub, blizu 100-odstotno učinkoviti," je pojasnil Tušek. Poleg tega jih lahko po uporabi recikliramo ter uporabimo v novem hladilniku, zato je to tudi izjemno trajnostna tehnologija.

Projekt ERC za prehod tehnologije iz laboratorijev v realno življenje

Med podoktorskim študijem na danski univerzi je Tušek skupaj s tamkajšnjimi raziskovalci uspel preslikati logiko magnetokaloričnega hlajenja na elastokalorično, kar se je izkazalo za izjemen uspeh. Že s prvim prototipom so namreč po hladilnih karakteristikah presegli skoraj vse dotlej razvite alternativne tehnologije hlajenja ter pokazali veliko možnost nadaljnjega razvoja tehnologije.

To delo bo Tušek nadaljeval v okviru projekta SUPERCOOL - Superelastične porozne strukture za učinkovito elastokalorično hlajenje, za katerega je pred kratkim uspel pridobiti prestižno financiranje Evropskega raziskovalnega sveta v okviru sheme ERC Starting Grant. Za izvedbo petletnega projekta, ki se bo uradno začel januarja, na njem pa bo poleg Tuška zaposlenih še šest doktorskih študentov in raziskovalcev, bo prejel 1,4 milijona evrov.

V projektu bodo poskušali odgovoriti na dva ključna izziva, ki so ju skupaj z danskimi raziskovalci predstavili že leta 2016 v reviji Nature Energy, ter s tem omogočiti prehod te tehnologije iz laboratorijev v realno življenje.

Prvi izziv, ki ga bodo poskušal rešiti, je razvoj elastokalorične strukture, ki bo zagotavljala dovolj dolgo življenjsko dobo ter bo hkrati imela dovolj dober in hiter prenos toplote za zagotavljanje želenih hladilnih karakteristik.

Drugi izziv pa je razvoj unikatnega pogonskega sistema, ki bo na čim bolj učinkovit način obremenjeval in razbremenjeval elastokalorične materiale. Končni cilj projekta je razviti elastokalorično hladilno napravo, ki bi lahko predstavljala prvi večji preboj na področju hlajenja v zadnjih stotih letih.

"Če nam uspe vsaj v določeni meri prikazati uspešnost in potencial te tehnologije, je ta dosežek primerljiv na primer z električnimi avtomobili. To je revolucija na področju hladilne tehnologije, " je dejal Tušek.

Tehnologija bi lahko imela pomembno vlogo pri električnih avtomobilih

Eno ključnih vprašanj projekta je tudi uporabnost te tehnologije. Po besedah Tuška ne gre pričakovati, da bomo v naslednjih nekaj letih vse hladilnike in klimatske naprave zamenjali z elastokalorično tehnologijo. Pričakujejo, da bodo najprej našli določene nišne aplikacije, šele kasneje bo lahko prišla v širšo rabo.

Zaenkrat se kaže, da bi tehnologija lahko bila uporabna na širokem področju, od mikrohlajenja, kot je hlajenje elektronskih komponent, pa vse do hlajenja velikih industrijskih hal, toplotnih črpalk itd..., je povedal Tušek.

Ena od aplikacij, kjer bi ta tehnologija lahko igrala zelo pomembno vlogo v prihodnosti, pa so po njegovih pojasnilih električni avtomobili. V prihodnosti bi tako lahko del energije, ki jo uporabljamo za premikanje avtomobila, koristili tudi za pogon elastokalorične hladilne naprave v različnih pogonskih sredstvih.