De zomer is in volle gang in de VS en mensen zetten hun airconditioners harder om de hitte te verslaan. Maar de fluorkoolwaterstofkoelmiddelen in deze en andere koelapparatuur zijn krachtige broeikasgassen en belangrijke aanjagers van klimaatverandering. Vandaag rapporteren wetenschappers een prototype-apparaat dat op een dag bestaande "airco's" zou kunnen vervangen. Het is veel milieuvriendelijker en gebruikt vaste koudemiddelen om een ​​ruimte efficiënt te koelen.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de najaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).

"Alleen al het installeren van een airconditioner of het weggooien van een airconditioner is een enorme drijfveer voor de opwarming van de aarde", zegt Adam Slavney, Ph.D., die dit werk op de bijeenkomst presenteert. De koelmiddelen die in deze systemen worden gebruikt, zijn duizenden keren krachtiger dan kooldioxide en kunnen per ongeluk uit systemen lekken wanneer ze worden gehanteerd of afgevoerd.

Traditionele koelsystemen, zoals airconditioners, werken door een koelmiddel te laten wisselen tussen gas of vloeistof. Wanneer de vloeistof een gas wordt, zet het uit en absorbeert het warmte, waardoor een kamer of het interieur van een koelkast wordt gekoeld. Een compressor die werkt op ongeveer 70-150 pond per vierkante inch (psi) verandert het gas terug in een vloeistof, waarbij warmte vrijkomt. In het geval van airconditioners wordt deze warmte naar buiten gericht. Hoewel deze cyclus efficiënt is, stimuleren zorgen over klimaatverandering en strengere regelgeving voor fluorkoolwaterstofkoelmiddelen de zoektocht naar milieuvriendelijkere koelmiddelen.

Vaste koudemiddelen zouden een ideale oplossing kunnen zijn. In tegenstelling tot gassen, lekken er geen vaste stoffen in de omgeving van A/C-units. Eén klasse vaste koelmiddelen, barocalorische materialen genaamd, werkt op dezelfde manier als traditionele gas-vloeistofkoelsystemen. Ze gebruiken drukveranderingen om door warmtecycli te gaan, maar in dit geval zorgt de druk voor een vaste-naar-vaste faseverandering. Dat betekent dat het materiaal een vaste stof blijft, maar de interne moleculaire structuur verandert. Het belangrijkste structurele aspect van deze barocalorische vaste materialen is dat ze lange, flexibele moleculaire ketens bevatten die typisch slap en ongeordend zijn. Maar onder druk worden de kettingen meer geordend en stijver - een verandering die warmte afgeeft. Het proces om van een geordende naar een ontspannen structuur te gaan, is als het smelten van was, maar zonder dat het een vloeistof wordt, zegt Jarad Mason, Ph.D., de hoofdonderzoeker van het project, die aan de Harvard University werkt. Wanneer de druk wordt opgeheven, neemt het materiaal de warmte weer op, waardoor de cyclus is voltooid.

Een nadeel van barocalorische systemen is echter dat de meeste van deze materialen enorme drukken vereisen om warmtecycli aan te drijven. Om deze drukken te produceren, hebben de systemen dure, gespecialiseerde apparatuur nodig die niet praktisch is voor echte koeltoepassingen. Mason en zijn team rapporteerden onlangs barocalorische materialen die bij veel lagere drukken als koelmiddel kunnen dienen. Ze hebben nu aangetoond dat de koelmiddelen, die metaalhalogenide-perovskieten worden genoemd, kunnen werken in een koelsysteem dat ze helemaal opnieuw hebben opgebouwd. "De materialen die we hebben gerapporteerd, kunnen fietsen met ongeveer 3.000 psi, wat een druk is waar een typisch hydraulisch systeem mee kan werken", zegt Slavney.

Het team heeft nu een uniek prototype gebouwd dat het gebruik van deze nieuwe materialen in een praktisch koelsysteem demonstreert. Het apparaat heeft drie hoofdonderdelen. Een daarvan is een metalen buis vol met het vaste koelmiddel en een inerte vloeistof - water of een olie. Een ander onderdeel van het apparaat is een hydraulische zuiger die druk uitoefent op de vloeistof. Ten slotte helpt de vloeistof die druk over te dragen naar het koelmiddel en helpt het de warmte door het systeem te transporteren.

Na het oplossen van verschillende technische uitdagingen, heeft het team aangetoond dat de barocalorische materialen werken als functionele koelmiddelen, waardoor drukveranderingen worden omgezet in volledige temperatuurveranderende cycli. "Ons systeem gebruikt nog steeds geen drukken die zo laag zijn als die van commerciële koelsystemen, maar we komen dichterbij", zegt Mason. Voor zover het team weet, is dit het eerste werkende koelsysteem dat gebruikmaakt van vastestofkoelmiddelen die afhankelijk zijn van drukveranderingen.

Nu het apparaat in de hand is, is het team van plan een verscheidenheid aan barocalorische materialen te testen. "We hopen deze machine echt als testbed te gebruiken om ons te helpen nog betere materialen te vinden", zegt Slavney, waaronder materialen die bij lagere druk werken en die warmte beter geleiden. With an optimal material, the researchers believe solid-state refrigerants could become a viable replacement for current air conditioning and other cooling technologies. + Verder verkennen

N-alkanes proved to be a safe, novel and green cooling material