Ученые придумали холодильник, где вместо фреона — резинки для волос. Он не загрязняет окружающую среду и (возможно) будет самым эффективным
Ученые из США, Бразилии и Китая представили прототип холодильника, который работает по принципиально иному механизму, чем традиционные бытовые приборы. Вместо компрессора и фреонов в нем используются скручивающиеся и раскручивающиеся эластичные спирали — они могут быть выполнены из металлов, полиэтилена или даже обычной бытовой резины. Пока «резиновый холодильник» представляет собой лишь любопытный лабораторный эксперимент, однако теоретическая эффективность таких приборов существенно превышает КПД существующих машин. Статья ученых опубликована в журнале Science.
Согласно существующим оценкам, сегодня холодильники, кондиционеры и прочая тепловая техника суммарно потребляют (.pdf) от 25% до 30% всей вырабатывающейся в мире электроэнергии. Любое, даже очень незначительное изменение в эффективности таких машин имеет, очевидно, важное значение для экономики — как напрямую, через снижение затрат на электричество, так и опосредованно, через борьбу с выбросами парниковых газов.
При этом почти все холодильники в мире работают на одном принципе, реализация которого существенно не менялась с начала XX века, — это сжатие и расширение специального хладагента. Соответственно, КПД таких машин уже давно не удавалось существенно увеличить — не говоря уже о том, что использующиеся в них хладагенты могут приводить к разрушению озонового слоя или обладать сильной парниковой активностью.
Для лучших современных холодильников показатель эффективности не превышает 60% от теоретического максимума. В то же время у холодильников нового типа — тех, над которыми работали авторы статьи в Science, — КПД может достигать, по оценкам ученых, 84% от теоретического предела. Это, конечно, не значит, что такое высокое значение будет достигнуто в реальности, но у новых установок есть потенциал для совершенствования, который у обычных холодильников, по-видимому, уже давно исчерпан.
Согласно второму началу термодинамики, холодный объект нельзя дополнительно остудить за счет нагрева и без того более горячего соседа, не затратив при этом дополнительной энергии. Но вот если какую-то энергию все-таки потратить (иначе говоря, «совершить работу»), то передача тепла от холодного тела горячему становится вполне возможной. Простейший способ — совершить механическую работу, например сжать газ. Именно за счет этого работает большинство современных холодильников. Чередуя в правильной последовательности сжатие (и конденсацию) газа-хладагента с его расширением (и испарением), можно весьма успешно передавать тепло от внутренности охлажденной камеры холодильника более теплому воздуху снаружи.
С современными холодильными устройствами вроде бы все в порядке: они довольно эффективно охлаждают большие объемы газа, — но все-таки несколько заметных недостатков у них есть. Во-первых, большинство наиболее эффективных хладагентов совсем не безвредны для окружающей среды. Во-вторых, охлаждать бывает нужно не только большие объемы газа, но и, например, перегревающиеся микроустройства, а возможность миниатюризации холодильников, работающих на сжатии пара, ограничена. В-третьих, создание компрессоров для пара еще и не всегда дешево обходится.
Вообще говоря, уже сегодня классическая система с хладагентом имеет несколько возможных альтернатив. Вместо сжатия газа физики уже предлагали, например, делать твердотельные холодильники, работающие за счет переключения электрического или магнитного поля. Если подобрать нужный материал, то переключение поля может вызвать изменение внутренней структуры, из-за которого материал станет поглощать тепло из окружающей среды. В последние годы холодильники, которые работают по такому принципу, становятся все лучше, но пока ни один из них не обладает достаточной эффективностью для создания реальных устройств.
То же самое можно сказать и еще об одном способе поглощать тепло из окружающей среды, который впервые обнаружили в начале XIX века. В 1805 году естествоиспытатель Джон Гоу выяснил, что если резиновую нить растягивать, то она будет ожидаемо нагреваться. Но если затем растянутый кусок резины отпустить и дать ему вернуться в изначальное состояние, то его температура может заметно понизиться (а не повыситься, как можно было бы ожидать из-за трения). Обнаруженный Гоу эффект легко испытать самостоятельно — можно, например, взять каучуковую резинку, растянуть ее, затем сжать и приложить к губам.
Такой же эффект характерен и для других материалов, но ни для одного из них он не проявляется настолько сильно, чтобы можно было сделать на основе этого реальное холодильное устройство — хотя некоторые из физиков-любителей такими проектами и занимались.
Через 200 лет после описания эффекта физики из Китая, США и Бразилии под руководством Рэя Боумана (Ray H. Boughman) из Университета Техаса в Далласе нашли довольно простой и изящный способ заметно повысить эффективность охлаждения и создать на основе этого эффекта прототип холодильника. Идея, которая позволила это осуществить, заключалась в том, чтобы не только растягивать эластичные нити, но еще и скручивать их.
Скручивание любого волокна вдоль своей оси происходит в несколько этапов: сначала, при небольшом угле поворота, волокно сохраняет внешнюю цилиндрическую форму, но структура материала «скручивается» и возникает механическое напряжение. Если продолжать скручивать, то в определенный момент изменится и внешняя форма: сначала возникнет одна петля, потом вторая и постепенно с увеличением количества витков нить приобретает форму пружины. Если продолжать скручивать и после того, как вся нить полностью превратилась в спираль, то уже спиралеобразное волокно само начинает сворачиваться в сверхспираль, образуя витки большого диаметра. Такое поведение характерно для скручивания нитей любой толщины и любой природы — и полимерных, и металлических, — отличаться будет количество витков, которое умещается в одном сантиметре нити, и момент, когда нить начнет рваться.
Все это многостадийное скручивание сопровождается удлинением нити, а в некоторых случаях принципиальным образом изменяет и структуру материала. Поэтому при обратном раскручивании возможен эффект понижения температуры, аналогичный тому, который возникает при сжатии растянутой резинки.
Чтобы сделать необычный холодильник, который работает на «резиновом эффекте», физики опробовали нити из нескольких материалов. Во-первых, ученые изучили нить из природного каучука, потом перешли к полиэтиленовой и нейлоновой лескам, а затем рассмотрели и вовсе не полимерный материал, а проволоку из сплава никеля с титаном, который известен благодаря эффекту памяти формы — все толщиной от 0,4 до 2 миллиметров.
Каждую из этих нитей растягивали (какие-то на 20–30%, а, например, резину — в шесть раз), а затем начинали скручивать и раскручивать обратно со скоростью до 50 оборотов в минуту. При этом постоянно следили за температурой. Выяснилось, что температура на поверхности нити при раскручивании может упасть сразу на 20 градусов, а КПД такого «холодильника» достигает 67% от максимально возможного КПД цикла Карно. Как уже говорилось выше, у современных компрессорных холодильников КПД тоже довольно высокий, но не больше 60 процентов.
Интересно, что если в каучуке (так же, как и в сжатии растянутой резинки) эффект охлаждения достигается из-за релаксации более упорядоченного растянутого состояния, то в нейлоне, полиэтилене и металлическом сплаве эффект имеет другую природу. Все эти материалы имеют четкую кристаллическую структуру, и их упругость определяется не энтропийным вкладом, как у резины, а межатомными взаимодействиями в кристалле. Казалось бы, для таких материалов охлаждения при снятии нагрузки во время раскручивания происходить не должно. Однако оно происходит — и связано с тем, что скручивание нитей из этих материалов приводит к фазовому переходу: без изменения состава происходит перестройка расположения атомов и меняется геометрия кристалла. Раскручивание нити приводит к обратному переходу, а разница энергий этих двух состояний и объясняет падение температуры.
Убедившись, что эффект действительно заметный, ученые собрали на основе охлаждающего элемента из никельтитановой проволоки рабочий прототип холодильника для проточной воды. Проволоку поместили в центр трубки с водой и вращали ее вокруг своей оси. За один цикл охлаждения средняя температура поверхности проволоки упала более чем на 18 градусов, а температура потока воды вокруг нее — почти на 8 градусов.
Пока ученые провели эксперимент с единственным циклом охлаждения, но дополнительно показали, что механических повреждений в охлаждающей проволоке нет даже после тысячи последовательных циклов скручивания-раскручивания. Впрочем, для создания полноценного охлаждающего устройства, способного к циклической работе, ученым еще предстоит преодолеть множество технологических трудностей. Статья в Science — это только первый шаг к созданию холодильников нового типа.
В дополнение к основной части работы ученым удалось реализовать еще один интересный подход к охлаждению, основанный на том же скручивании и раскручивании нитей, но заточенный не на эффективность, а на максимальную миниатюризацию будущих холодильников.
Для объяснения этого подхода важно разъединить понятия спирали и сверхспирали. Так, для плотно скрученного полимерного волокна можно представить такую ситуацию, когда сверхспираль не очередная стадия скручивания, а независимая структура. Возможно создать такую структуру, в которой сама спиральная нить скручена в одном направлении (скажем, по часовой стрелке), а сверхспираль из нее — в другую (то есть против часовой стрелки).
В таком случае возникает интересный эффект: из-за противоположной закрученности спиралей растяжение не дополнительно заворачивает спираль, а, наоборот, раскручивает ее. Поэтому небольшой нагрев за счет растяжения нити с запасом перекрывается охлаждением из-за раскручивания.
Эффект получается не таким значительным, как при раскручивании сверхспиралей из никельтитановых проволок — всего несколько десятых градусов, — но все равно довольно заметным. С точки зрения миниатюризации будущего холодильного устройства такой подход может оказаться в определенных случаях даже более удобным.
«Медуза»