Naarmate de temperatuur stijgt, airconditioning inschakelen. Koeling kost veel energie, wat het elektriciteitsnet onder druk zet en de uitstoot verhoogt in landen die nog steeds afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen.

Bijna 20% van de elektriciteit die wereldwijd wordt gebruikt, wordt gebruikt voor het koelen van gebouwen. Niet aangevinkt, dit aantal zou tegen 2035 kunnen verdrievoudigen. Eén oplossing:technologieën ontwikkelen om koeling efficiënter te maken.

Onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ontwikkelen een alternatieve koeltechnologie die gebruik maakt van adsorptie (met een 'd') - de aanhechting en afgifte van koelmiddelverbindingen door een adsorberend materiaal. Op zoek naar verschillende nanoporeuze materialen als adsorbentia, onderzoekers wendden zich tot covalente organische polymeren (COP's). COP's kunnen drie keer meer koelmiddel adsorberen dan de best beschikbare alternatieven, wat resulteert in een efficiëntere koeling.

Maar het verhaal over hoe deze recente ontdekking tot stand kwam is een beetje onverwacht. Kleine defecten in het materiaal verhoogden de adsorptie op een perfect imperfecte manier.

"Het was ongebruikelijk - weet je? We wisten dat er iets onverklaarbaars aan de hand was met onze resultaten, maar wist niet precies waarom, " zei Radha Motkuri, een PNNL chemisch ingenieur die de studie leidde, die werd geselecteerd als een HOT artikel en in de top 10% van publicaties in Angewandte Chemie .

Efficiëntere koeling … per ongeluk

Sommige van 's werelds grote ontdekkingen werden per ongeluk gedaan, zoals nylon, de uitvinding van microgolven, of zelfs onbreekbaar glas. In het geval van koeling, enkele kleine glitches leidden tot grote inzichten.

Het afgelopen decennium is Piet McGrail, een PNNL-laboratoriummedewerker, en Motkuri, samen met hun team, hebben materialen bestudeerd die efficiënter zijn in het adsorberen van veelvoorkomende koelmiddelen die worden gebruikt in hun adsorptiekoeltechnologie. Ze hebben grote vooruitgang geboekt bij het ontwerpen van verschillende soorten poreuze materialen die koelmiddelen bevatten. Maar ze dachten dat er mogelijk nog onontgonnen potentieel was in andere nanoporeuze materialen, inclusief COP's.

"Naarmate de klimaatproblemen blijven groeien, manieren vinden om het energieverbruik te verminderen, zoals door alternatieve en efficiëntere koeling, is een absolute aanrader, " zei McGrail. "Dit onderzoek bouwt voort op onze 2017 R&D 100 Award winnende koeltechnologie."

Polymeren worden in alle lagen van de bevolking gebruikt, van shampoos tot ruimtepakken. Ze kunnen worden gecombineerd met andere elementen om verschillende doelen te dienen - in combinatie met koolstof, bijvoorbeeld, ze kunnen worden omgezet in polyester en nylon.

Het team testte 23 verschillende COP's om hun potentieel voor adsorptiekoeling of koeling te zien. Meest plateaued met lage adsorptie capaciteiten, wat betekent dat ze niet meer konden adsorberen en maximaal waren. Maar, twee deden dat niet - de adsorptie nam toe. En bleef klimmen.

"We dachten dat er iets mis was met het instrument toen we de adsorptiecapaciteiten testten. De tarieven waren veel hoger dan we hadden verwacht, ' zei Motkuri.

Dus, ze probeerden het opnieuw. Ze kregen dezelfde resultaten. twee verbindingen, genaamd COP-2 en COP-3, had torenhoge adsorptiecapaciteiten. Ze waren zo hoog dat het meer was dan de onderzoekers hadden verwacht. Dus, Motkuri nam contact op met een medewerker in Frankrijk, Guillaume Maurin aan de Universiteit van Montpellier, met expertise in moleculaire simulaties om de adsorptie van deze twee polymeren te voorspellen.

Als een slinkse, COP-2 en COP-3 zijn chemische ringen van koolstof en stikstof, allemaal op elkaar gestapeld. Ze moesten elke laag uitpakken om te zien hoe deze de adsorptie beïnvloedde.

Raar, de gesimuleerde COP-2- en COP-3-structuurmodellen leidden niet tot adsorptieniveaus die ze op de laboratoriumbank zagen. In de simulaties de adsorptie plateau. In het labortorium, echter, het is exponentieel gestegen.

"Toen realiseerden we ons dat er iets anders aan de hand was, "zei Motkuri. "En, ons team had een idee." Op basis van eerder werk, de onderzoekers wisten dat kleine defecten een interessante rol spelen bij adsorptie. "Wat als we defecten aan deze COP-structuurmodellen in de simulatie zouden toevoegen?"

Defecten die allesbehalve defect zijn

Maurin en zijn team gebruikten simulaties om kleine gaatjes te maken, of gebreken, in het materiaal door enkele van de chemische kenmerken van de ringen te verwijderen.

"Toen zagen we iets magisch gebeuren, " zei Motkuri. De adsorptie nam toe, en de adsorptie voor de zeer defectieve polymeren in lijn met de laboratoriumresultaten.

Ze ontdekten dat strategische defecten de adsorptie in COP's verbeteren, wat de verhoogde tarieven verklaarde die ze in het laboratorium zagen.

"Twee van de COP's die we in het laboratorium aan het testen waren, hadden om te beginnen defecten, " zei Maurin. "Soms gaat het goed, zelfs als het een beetje onverwacht is."

Waarom is efficiënte koeling zo belangrijk voor het klimaat?

Koeling is niet alleen voor comfort op een warme zomerdag. Extreme hitte is een dodelijk gevaar voor de gezondheid. Met stijgende mondiale temperaturen, sommige bevolkte regio's kunnen bepaalde delen van het jaar te warm worden om bewoonbaar te zijn.

Aanvullend, de toekomstige vraag naar energie zal naar verwachting toenemen, en airconditioning kost al veel energie. in 2019, 8,5% van het Amerikaanse elektriciteitsverbruik was afkomstig van airconditioners, volgens het Internationaal Energie Agentschap. Wereldwijd, elektriciteitsnetten kunnen overbelast raken naarmate het aantal koelsystemen toeneemt, bevolking groeit, en inkomens stijgen, waardoor meer mensen zich airconditioning kunnen veroorloven.

Dit wordt vooral belangrijk in gebieden waar energie niet uit groene bronnen komt. Airconditioning zal naar verwachting aanzienlijk toenemen in landen waar het momenteel minder gebruikelijk is, zoals Indonesië of India.

Krachtige airconditioners zouden de energievraag voor koeling kunnen halveren. Het ontwikkelen van technologieën in het streven naar efficiëntere koeling is een belangrijk doel, vooral omdat de energie die nodig is voor koeling de komende drie decennia naar verwachting zal verdrievoudigen. Technologieontwikkeling voor efficiëntere koeling kan de uitdagingen in een snel opwarmende wereld helpen verminderen.