سرمایش بدون کمپرسور و افزایش دو برابری راندمان کولر با نانو

یک تیم پژوهشی، فناوری جدیدی برای سرمایش ساخته که می‌تواند سرمایش را بدون کمپرسور و با مصرف کمتر انجام دهد. این روش از مواد نانویی مهندسی‌شده استفاده می‌کند که عملکردشان نسبت به ترموالکتریک‌های معمولی تقریباً دو برابر بهتر شده است.

به گزارش سیناپرس، گرم شدن هوا و نیاز به سرمایش، یکی از مشکلات همیشگی زندگی شهری است. معمولاً وقتی صحبت از کولر یا یخچال می‌شود، همه ما یک تصویر مشخص داریم: یک دستگاه بزرگ که داخل آن قطعه‌ای به نام کمپرسور کار می‌کند و با کمک یک ماده خنک‌کننده، دمای داخل را پایین می‌آورد. این روش‌ها هرچند در عمل خوب کار می‌کنند، اما مشکلاتی هم دارند؛ هم برق زیاد مصرف می‌کنند، هم قطعات مکانیکی دارند و هم از مواد شیمیایی خنک‌کننده استفاده می‌شود که می‌تواند برای محیط‌زیست دردسر ایجاد کند.

حالا پژوهشگران دانشگاه جان‌هاپکینز (Johns Hopkins) در آزمایشگاه فیزیک کاربردی (Applied Physics Laboratory) در لورلِ مریلند، یک راه جدید پیشنهاد داده‌اند: سرمایش جامد که می‌تواند برای خنک‌کردن فضا یا دستگاه‌ها، نیازی به کمپرسور نداشته باشد. ایده این است که به جای اینکه با یک موتور مکانیکی و سیستم پیچیده خنک‌کننده کار کنیم، از یک فناوری استفاده شود که درون خودش حرکت مکانیکی ندارد و از نظر طراحی، ساده‌تر و قابل‌ اعتمادتر است.

این فناوری به مواد نانویی پیشرفته‌ای تکیه دارد که در این پروژه با نام CHESS شناخته می‌شوند. CHESS مخفف یک مفهوم شبیه “ساختارهای ابرلایه‌ای کنترل‌شده” است. این یعنی پژوهشگران ساختار ماده را طوری طراحی کرده‌اند که از چند لایه خیلی نازک ساخته شود و ترتیب و ویژگی‌های این لایه‌ها، عملکرد ماده را بهتر کند. آن‌ها این کار را در مقیاس نانو انجام داده‌اند؛ یعنی ابعاد به قدری کوچک است که باید با روش‌های خیلی دقیق مهندسی شود، نه با روش‌های معمول کارگاهی.

چرا نانو مهم است؟

در علم مواد، وقتی اندازه‌ها کوچک می‌شوند (مثل اندازه‌های نانومتری)، رفتار الکترون‌ها و انتقال گرما می‌تواند تغییر کند. در نتیجه، می‌شود با طراحی درست، کاری کرد که ماده بهتر از قبل “گرما را جابه‌جا کند”. اینجا موضوع اصلی به فناوری ترموالکتریک مربوط است. ترموالکتریک یعنی موادی که می‌توانند با اختلاف دما، یا در جهتِ انتقال گرما یا تبدیل انرژی، نقش داشته باشند.

در سرمایش ترموالکتریک، برخلاف کولرهای معمولی، ما از یک فرآیند الکترونیکی استفاده می‌کنیم. به شکل ساده: یک ماده نیمه‌رسانا وقتی برق از آن عبور می‌کند، می‌تواند اثرهایی مثل انتقال گرما ایجاد کند. در نتیجه، گرما از یک سمت ماده به سمت دیگر منتقل می‌شود و همان سمت، سردتر می‌گردد. چون این فرآیند بیشتر الکتریکی است و نه مکانیکی، دستگاه می‌تواند بدون کمپرسور کار کند.

پژوهشگران می‌گویند راندمان این مواد CHESS نسبت به ترموالکتریک‌های سنتی تقریباً دو برابر شده است. “راندمان” یعنی اینکه دستگاه چقدر مؤثر است؛ مثلاً اگر انرژی بدهیم، چقدر سرمایش واقعی تولید می‌شود. این خبر مهم است چون ترموالکتریک‌های معمولی معمولاً برای استفاده گسترده در دمای اتاق محدودیت‌هایی داشتند. اما CHESS طوری طراحی شده که در دمای محیط (حدود ۲۵ درجه سانتی‌گراد) عملکرد بهتری نشان دهد.

مزیت بزرگ: سرمایش بدون کمپرسور

یکی از پیام‌های اصلی این پروژه این است: سرمایش جامد می‌تواند به‌جای سیستم‌های دارای کمپرسور استفاده شود. این یعنی اگر بتوان چنین فناوری را در مقیاس واقعی و تولید انبوه به کار برد، خیلی از مشکلات سیستم‌های بزرگ کاهش پیدا می‌کند:

کمتر شدن قطعات مکانیکی: چون کمپرسور و قطعات متحرک حذف می‌شود.

کاهش صدا: دستگاه‌های بدون کمپرسور معمولاً بی‌صدا یا کم‌صدا هستند.

کاهش نگرانی‌های محیط‌زیستی: چون سرمایش به مواد شیمیایی خنک‌کننده که ممکن است برای محیط خطر داشته باشند وابسته نیست.

قابل اعتمادتر شدن سیستم: قطعات مکانیکی کمتر یعنی خرابی‌های کمتر.

این فناوری از نظر ابعاد هم می‌تواند کوچک‌تر باشد و این موضوع برای تجهیزات جدید بسیار مهم است.

عددهای فنی

در گزارش پژوهشگران گفته شده که مواد CHESS توانسته‌اند راندمان را در دمای اتاق تقریباً نزدیک به ۱۰۰ درصد بهبود دهند، یعنی نسبت به نمونه‌های قبلی خیلی مؤثرتر شده‌اند. در سطح دستگاه و سیستم‌های یکپارچه، بهبود راندمان هم به ترتیب حدود ۷۵ و ۷۰ درصد گزارش شده است. این ماده جدید بهتر از مواد قدیمی کار می‌کند و در سطح کاربرد واقعی، تفاوت محسوسی دارد.

مصرف خیلی کم ماده

نکته جالب دیگر این است که هر واحد سرمایشی به مقدار بسیار کمی ماده نیاز دارد – حدود ۰.۰۰۳ سانتی‌متر مکعب. برای اینکه اندازه‌ آن را تصور کنید، گفتند چیزی حدود اندازه یک دانه شن است. مصرف کم ماده باعث می‌شود بتوان تولید را مقرون‌به‌صرفه‌تر کرد و در مقیاس بزرگ، تولید اقتصادی‌تر شود. اگر قرار باشد یک فناوری وارد بازار شود، اقتصاد تولید خیلی مهم است؛ چون حتی اگر از نظر علمی عالی باشد، اگر تولیدش سخت یا گران باشد، کاربردی نمی‌شود.

ساخت با روش آشنا در صنعت

پژوهشگران CHESS را با روشی به نام MOCVD ساخته‌اند؛ فرآیندی که در صنعت برای تولید برخی قطعات الکترونیکی و حتی سلول‌های خورشیدی و LEDهای تجاری هم استفاده می‌شود. مزیت این است که روش ساخت کاملاً دور از صنعت نیست و می‌تواند برای تولید در حجم بالا قابل استفاده باشد.

در واقع، این یعنی فناوری جدید فقط در آزمایشگاه متوقف نمی‌ماند؛ می‌تواند وارد مرحله تولید واقعی شود.

از سرمایش کوچک تا کاربردهای بزرگ

در آینده، این فناوری فقط برای دستگاه‌های خیلی کوچک نیست. پژوهشگران می‌گویند می‌شود آن را برای سیستم‌های بزرگ‌تر هم توسعه داد؛ مثلاً در حوزه‌های مربوط به HVAC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) یا حتی تجهیزات خانگی مثل فریزرها. همچنین صحبت از استفاده از هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در این سیستم‌ها هم مطرح شده است؛ یعنی دستگاه بتواند با توجه به شرایط محیط، بهتر و کم‌مصرف‌تر کار کند.

نتیجه‌گیری ساده

در کل، پژوهش این تیم یک پیام امیدبخش دارد: می‌توان سرمایش را به شکلی انجام داد که به کمپرسور نیاز نداشته باشد و از نظر عملکرد هم بهتر از قبل باشد. اگر این مسیر در تولید انبوه موفق شود، ممکن است در آینده شاهد کولرها و سیستم‌های سرمایشی جدیدی باشیم که کم‌صدا، کم‌مصرف‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست هستند.