對離子熱能冷卻ionocaloric cooling打聲招呼。這是一個降溫的新方法,具有潛力將現有方法取代成對地球環境更安全且更友善的某個方法。

離子冷卻法

典型的製冷系統是透過空氣將熱從某個空間中搬走,此空氣會隨著擴張一段距離而冷卻下來。雖然這個過程很有效果,但是我們所選擇使用的某些氣體也對環境特別不友善。然而,有超過一種以上的方法,能夠迫使一種物質吸收和釋放能量。

由美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)與加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)的研究人員所研發的新方法,運用了當材料發生相轉變時,儲存或釋放能量的方式。比方說,當固體冰轉成液態水時。

在一塊冰上提高溫度,它會融化。我們不會那麼輕易看到的是,融化會從周圍吸收熱,有效地冷卻它。

其中一個迫使冰融化而不需要加熱的方法,就是加上幾個帶電粒子,或是離子。在馬路上灑上鹽以避免冰形成就是一個常見的例子。離子熱能循環也使用鹽巴來改變流體相,並冷卻其周圍。

離子熱能循環示意動畫(圖:Jenny Nuss/Berkeley Lab)

勞倫斯柏克萊國家實驗室的機械工程師德魯·李利博士(Drew Lilley)說:「冷媒的前景是一個未解決的問題。沒有人成功地研發出一個解決方法,能夠讓物體變冷、有效率地運作、安全、還不會傷害到環境。我們認為,若能夠適當地實現的話,離子熱能循環有潛力能夠達到所有這些目標。」

實驗設計與結果

研究人員們替離子熱能循環的理論建立了模型,來顯示它如何能與今日我們使用的冷媒之效率競爭、或者甚至更為改善。流過系統中的電流會移動內部的離子,改變材料的熔點來變換溫度。

研究團隊也使用了由碘跟鈉所形成的鹽來進行實驗,來融化碳酸乙烯酯。這種常見的有機溶劑也被用於鋰離子電池當中,且是以二氧化碳作為原料而製造。這不僅能夠讓系統的全球暖化潛勢(global warming potential,GWP)變成零、甚至負值。

透過在實驗中施加不到 1 伏特的電荷,研究人員量測到溫度改變了攝氏 25 度。這個結果超過了目前其他熱量技術所能達成的結果。

勞倫斯柏克萊國家實驗室的機械工程師拉比·普萊謝教授(Ravi Prasher)說:「有三項我們試著達到平衡的事物:冷媒的 GWP、能量效率、以及設備本身的成本。就第一次試驗來看,我們的數據在這些面向上看起來都很具展望性。」

未來目標

使用於製冷過程中的蒸氣壓縮系統倚賴具有高 GWP 的氣體,例如各種氫氟烴(hydrofluorocarbons,HFCs)。與《基加利修正案》(Kigali Amendment)簽訂協議的國家承諾要在接下來的 25 年內,減少生產並且消耗 HFCs 達至少 80%,而離子熱量冷卻可能在這上面扮演主要角色。

現在,研究人員必須要將此技術移出實驗室外,並整合到可以用於商業上、且在量產上不會有任何問題的實際系統當中。最終,這些系統可以被用於加熱與冷卻中。

普萊謝教授說:「我們有這種全新的熱力學循環與框架,能夠將不同領域的元素結合起來,而我們也顯示說它能夠運作。現在,該是實驗的時候,來測試不同材料與技術的組合,以達成工程上的挑戰。」

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參考資料:

  1. Nield, D., (2023, January 9). Scientists Just Invented an Entirely New Way to Refrigerate Things. ScienceAlert
  2. Lilley, D. et al., (2022, December 22). Ionocaloric refrigeration cycle. Science. DOI: 10.1126/science.ade1696
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-just-invented-an-entirely-new-way-to-refrigerate-things(圖:nrd/Unsplash)
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