دانشمندان روشی کاملاً جدید برای نگهداری مواد غذایی در یخچال اختراع کردند

شهرآرانیوز؛ سیستم‌های سرمایشی معمولی گرما را از یک فضا به وسیله‌ی یک سیال منتقل می‌کنند؛ سیالی که هنگام تبخیر و تبدیل‌شدن به گاز، گرما را جذب می‌کند، سپس این گرما از درون یک لوله‌ی بسته عبور داده می‌شود و در پایان دوباره متراکم می‌شود و به حالت مایع برمی‌گردد.

هرچند این فرایند کارآمد است، اما برخی از مواد شیمیایی‌ای که به عنوان مبرد یا سرمازا (Refrigerant) استفاده می‌شوند، آسیب زیادی به محیط‌زیست وارد می‌کنند.

با این حال، بیش از یک روش وجود دارد که می‌توان با آن یک ماده را وادار کرد تا گرما را جذب یا آزاد کند.

روشی که در سال ۲۰۲۳ توسط پژوهشگران «آزمایشگاه ملی لارنس برکلی» و «دانشگاه کالیفرنیا، برکلی» معرفی شد، از نحوه‌ی ذخیره یا آزادسازی انرژی هنگام تغییر فاز یک ماده بهره می‌برد — برای مثال، زمانی که یخ جامد به آب مایع تبدیل می‌شود.

افزایش دمای یک قطعه یخ باعث ذوب‌شدن آن می‌شود. آنچه شاید به سادگی دیده نشود، این است که فرایند ذوب گرما را از محیط اطراف جذب می‌کند و در نتیجه باعث خنک شدن آن می‌شود.

یکی از راه‌های ذوب کردن یخ بدون بالا بردن دما، افزودن ذرات باردار یا یون‌هاست. پاشیدن نمک روی جاده‌ها برای جلوگیری از یخ‌زدگی مثالی رایج از این پدیده است. چرخه‌ی یونی‌کالوریک نیز از نمک برای تغییر فاز یک سیال و خنک‌کردن محیط استفاده می‌کند.

درو لیلی (Drew Lilley)، مهندس مکانیک در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا، می‌گوید:

«چشم‌انداز مواد مُبرِّد هنوز یک مسئله‌ی حل‌نشده است ... هیچ‌کس تاکنون نتوانسته جایگزینی ارائه دهد که بتواند به‌طور مؤثر سرما تولید کند، ایمن باشد و به محیط‌زیست آسیب نرساند. ما معتقدیم چرخه‌ی یونی‌کالوریک، اگر به درستی اجرا شود، می‌تواند به همه‌ی این اهداف دست یابد.»

پژوهشگران مدل نظری چرخه‌ی یونی‌کالوریک را طراحی کردند تا نشان دهند که این فناوری می‌تواند با مُبرِّد‌های امروزی رقابت کند یا حتی کارایی بالاتری داشته باشد. در این سامانه، یک جریان الکتریکی باعث حرکت یون‌ها می‌شود و با تغییر نقطه‌ی ذوب ماده، دما را تنظیم می‌کند.

تیم پژوهشی همچنین آزمایشی با استفاده از نمکی ساخته‌شده از ید و سدیم انجام داد تا اتیلن کربنات را ذوب کند — حلالی آلی که در باتری‌های لیتیوم-یون نیز کاربرد دارد و از دی‌اکسید کربن تولید می‌شود. این ویژگی می‌تواند چرخه را نه‌تنها با پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) «صفر» یا حتی «منفی» کند.

در آزمایش، تنها با اعمال کمتر از یک ولت جریان الکتریکی، تغییر دمایی به میزان ۲۵ درجه‌ی سلسیوس (۴۵ درجه‌ی فارنهایت) به دست آمد — نتیجه‌ای که تاکنون از همه‌ی فناوری‌های کالوریکی دیگر بهتر بوده است.

چرخه‌ی یونی‌کالوریک در حال کار (Jenny Nuss/Berkeley Lab)

«سه عامل را باید در تعادل نگه داریم: GWP مُبرِّد، بازده انرژی، و هزینه‌ی تجهیزات.» این را راوی پراشر (Ravi Prasher)، مهندس مکانیک از آزمایشگاه لارنس برکلی می‌گوید.

او در ادامه می‌گوید: «از همان آزمایش‌های اولیه، داده‌های ما در هر سه مورد بسیار امیدوارکننده است.»

سیستم‌های متراکم‌سازی بخار که در حال حاضر برای سرمایش استفاده می‌شوند، بر گاز‌هایی متکی هستند که GWP بالایی دارند، مانند هیدروفلوئوروکربن‌ها (HFCs).

کشور‌هایی که توافق‌نامه کیگالی را امضا کرده‌اند، متعهد شده‌اند طی ۲۵ سال آینده تولید و مصرف HFC‌ها را حداقل ۸۰ درصد کاهش دهند — و فناوری یونی‌کالوریک می‌تواند در این مسیر نقش مهمی ایفا کند.

اکنون پژوهشگران باید این فناوری را از مرحله‌ی آزمایشگاهی خارج کرده و به سیستم‌های عملی و قابل تجاری‌سازی تبدیل کنند که بتوانند در مقیاس بزرگ بدون مشکل کار کنند. در آینده، این فناوری می‌تواند برای گرمایش نیز مورد استفاده قرار گیرد.

پژوهش‌های کنونی در حال آزمایش نمک‌های گوناگون هستند تا مشخص شود کدام ترکیب بیشترین کارایی را در جذب گرما دارد. در سال ۲۰۲۵، یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران نتایج مطالعه‌ای را منتشر کردند که در آن نسخه‌ای بسیار کارآمد از این چرخه با استفاده از نمک‌های نیتراتی ساخته شده بود؛ این نمک‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی و غشا‌ها بازیافت می‌شدند.

این همان چیزی است که پراشر و همکارانش پیش‌بینی کرده بودند:

«ما یک چرخه‌ی ترمودینامیکی و چارچوب کاملاً جدید در اختیار داریم که عناصر متعددی از حوزه‌های مختلف را با هم ترکیب کرده و نشان داده‌ایم که کار می‌کند. اکنون زمان آن رسیده است که با آزمایش ترکیب‌های گوناگون مواد و روش‌ها، چالش‌های مهندسی را پشت سر بگذاریم.»

این پژوهش در مجله Science منتشر شده است. نسخه‌ای از این مقاله نخستین‌بار در ژانویه‌ی ۲۰۲۳ منتشر شد.