Az elmúlt száz év első jelentős áttörésének küszöbén áll egy szlovén kutatás a hűtési technológiák terén. Az uniós támogatással dolgozó kutatók a fenntartható hűtés intelligensebb rendszerét fejlesztik ki, amely a mérgező és környezetszennyező hűtőközegeket biztonságosabb, hatékonyabb és újrahasznosítható fémekkel helyettesíti. Ez az innováció nemcsak az energiafelhasználást csökkenti, hanem kulcsszerepet játszhat az éghajlatváltozás mérséklésében is. Az ígéretes újdonságról a Horizon, az EU kutatási és innovációs magazinja számolt be.
A hűtőszekrényekben, légkondicionálókban és más hűtési technológiákat alkalmazó berendezésekben általánosan használt gőzkompressziós technológia több mint egy évszázados, viszonylag alacsony hatékonyságú és környezetszennyező. Míg a magas légkör ózonrétegére legkárosabb hűtőközegeket 1989 óta betiltották, az azokat felváltó fluorozott szénhidrogénekről szintén kiderült, hogy több százezerszer nagyobb üvegházhatással rendelkeznek, mint a széndioxid.
Fémcsövek a folyadék-gáz átalakulás helyett
Ha egy kilogramm ilyen hűtőközeg a légkörbe párolog, annak nagyjából olyan üvegházhatása van, mintha egy autóval körülbelül 30 000 kilométert vezetnénk. Emiatt a fluorozott szénhidrogéneket is fokozatosan elkezdték kivonni a forgalomból. Az olyan természetes alternatívák, mint az ammónia és az izobután azonban számos problémával járnak, a toxicitástól és robbanékonyságtól kezdve a forró éghajlaton való gyenge hatékonyságig.
A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) szerint a hűtés jelenleg a világ villamosenergia-igényének 10 százalékát teszi ki. Ráadásul a hűtési technológiák iránti igény a hőmérséklet emelkedése és a fejlődő országok növekvő kereslete miatt exponenciálisan növekszik. A világon ma mintegy 2 milliárd légkondicionáló berendezés van, és az IEA szerint ez a szám 2050-re csaknem megháromszorozódik. Ez a növekedési trend, valamint az a tény, hogy ezek a berendezések viszonylag alacsony hatékonyságúak és károsak a környezetre, környezeti katasztrófához vezethet
A szlovéniai Ljubljanai Egyetemen 2019 és 2023 között uniós támogatással zajlott SUPERCOOL nevű kutatási projekt felfedezései egy alapvetően más megközelítésű rendszert tárnak elénk. A szlovén kutatók a mérgező hűtőközegeket fémcsövekkel helyettesítik.
Bár az ilyen, teljesen új irányt képviselő szilárdtest-hűtési technológiák még korai stádiumban vannak, úgy tűnik, hogy ha beérnek, biztonságosabb hűtőberendezéseket tudnak majd nyújtani, amelyek csendesen és hatékonyabban működnek, anélkül, hogy szennyeznék a környezetet.
A Ljubljanai Egyetem kutatói most azon dolgoznak, hogy ezt az új technológiát piacra dobják. Az E-CO-HEAT, egy másik, az EU által finanszírozott, 2026 elejéig tartó kutatási kezdeményezés, melynek részeként szabadalmat készítenek és tervet dolgoznak ki az ipari bevezetésre.
A hűtés a fázisátalakulások alapvető kémiai folyamatának függvénye, amikor az anyag egyik állapotból (szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotból) egy másikba lép át. Amikor ugyanis egy anyag halmazállapot-változáson megy keresztül — például párolgás, olvadás vagy szublimáció során —, hőt vesz fel a környezetéből, de ezt a hőt nem a hőmérsékletének növelésére használja, hanem az anyag belső szerkezetének (a részecskék közötti kötéseknek) megváltoztatására. A hagyományos hűtőközegek esetében a folyadékból gázzá és vissza történő átalakulás az, ami a hűtési ciklust hajtja. A hűtőszekrényeknél például amikor a hűtőközeg elpárolog a csövekben, hőt von el a belső térből — ez hűti le a hűtő belsejét.
A kulcs a nikkel-titán ötvözet
Egyes anyagok azonban, mint például a nitinol nevű nikkel-titán ötvözet, képesek fázisátalakuláson átmenni, miközben szilárd állapotban maradnak. Ha mechanikai feszültséget fejtenek ki rájuk, felmelegednek, ha pedig a feszültséget enyhítik, lehűlnek. A technológiát elasztokalorikus hűtésnek nevezik, a kalorikus ebben az esetben a hőre utal.
A hagyományos hűtőközegekkel ellentétben ezek az anyagok nem károsak az emberekre és a környezetre. A nitinol huzalok valójában biokompatibilisek, és az orvostudományban általánosan használják őket például érprotézisekhez a szűkült artériák kitágítására. (A stent hidegen összenyomható, majd a test hőmérsékletén „emlékszik” az eredeti formájára, és kitágul az ér belsejében.)
Elméletileg az újfajta hűtőrendszer sokkal hatékonyabb is lehetne, bár még van hová fejlődnie. A prototípus jelenleg a maximálisan lehetséges hatékonyság 15 százalékánál tart, míg a gőzkompressziós hűtés 20-30 százalékos hatékonysággal működik. Igaz, a szlovén kutatók kevesebb mint 10 éve fejlesztik ezt a technológiát, míg a gőzkompressziós technológia több mint száz éve van a piacon, így remélhetően van még hova fejlődni.
A nyújtás helyett bevált a tömörítés
Elméletileg az elasztokalorikus hűtés akár 70 százalékos hatékonyságot is elérhetne, de van egy nagy bökkenő. A nitinolhuzalok gyorsan degradálódnak, ha többször megnyújtva fázisváltozást idéznek elő bennük, ami egyfajta fáradásnak nevezett jelenség. A szlovén kutatóknak azonban az az ötlete támadt, hogy nyújtás helyett tömörítik az anyagokat, így csökkentve a huzalokra ható fizikai igénybevételt. Az így létrejött prototípus óriási sikerként világújdonságnak számított, mivel a fűtési és hűtési teljesítmény új szintjét érte el anélkül, hogy a felhasznált anyagok károsodtak volna.
Sikerült bebizonyítaniuk, hogy az ilyen anyagok élettartama gyakorlatilag korlátlan lehet. Ugyanakkor a prototípus volt az első a világon, amely 30 Celsius-fok feletti tartományban is működött, ami kulcsfontosságú a gyakorlati hűtési és fűtési alkalmazásokhoz.
A Ljubljanai Egyetem kutatói németországi és olaszországi egyetemekkel, valamint egy írországi technológiai céggel társultak, hogy az új technológián alapulva fejlett légkondicionálót fejlesszenek ki. Ez a SMACool névre keresztelt együttműködés uniós támogatásban is részesült és a résztvevők remélik, hogy a termék 5-10 év múlva piacra kerül.
