Prelom v oblasti kryochladenia znižuje náklady na energiu o 71 %
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 5. 6. 2024
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Výskumníci našli prekvapivo jednoduchý spôsob, ako vytvoriť kryogénne chladiče, ktoré dosahujú takmer absolútnu nulu až 3,5-krát rýchlejšie alebo s použitím približne až o 71 % menej energie ako súčasné zariadenia. To je dôležitá správa pre všetko, čo si vyžaduje veľmi nízke teploty.
Kryogénne chladenie má prekvapivo veľa praktických aplikácií. Používa sa na uchovávanie tkanív, vajíčok, spermií a dokonca aj embryí. Vďaka nemu je možné používať počítačové tomografy, ako aj obrovské urýchľovače častíc v CERN-e. Má stovky technických aplikácií, poskytuje vesmírnemu teleskopu Jamesa Webba pozoruhodnú schopnosť skúmať hlbiny vesmíru a jedného dňa môže byť kľúčom k realizácii energie z jadrovej syntézy alebo kvantových počítačov.
Pri veľmi nízkych teplotách sa začínajú prejavovať zvláštne fyzikálne javy. Supravodivosť napríklad umožňuje, aby elektrický prúd prechádzal určitými materiálmi s nulovým odporom. Supertekutosť umožňuje určitým kvapalinám, ako je hélium, prúdiť bez akejkoľvek viskozity, pričom sa zdá, že v tomto momente začne ignorovať bežné pravidlá a stúpať po stenách nádob.
Blížiac sa k absolútnej nule sa kvantové javy môžu spomaliť do takej miery, že ich môžeme skutočne využiť, a môžeme začať získavať takzvané Boseho-Einsteinove kondenzáty, v ktorých sa skupiny atómov prestávajú správať ako jednotlivci, zhlukujú sa a synchronizujú do rovnakého kvantového stavu, aby sa začali správať ako „superatómy“.
Jedným z problémov pri práci v blízkosti absolútnej nuly je však to, že dostať sa tam je drahé a časovo náročné. Už viac ako 40 rokov je Pulzný trubicový chladič (Pulse Tube Refrigerator - PTR) technológiou na dosiahnutie teploty 4 ºK (-269 ºC), teda štyri stupne nad absolútnou nulou. Je to prekvapivo jednoduché zariadenie, ktoré funguje v podstate na rovnakom princípe ako chladnička vo vašej kuchyni.
PTR využíva stlačený plyn, ktorý pri expanzii odoberá teplo. Namiesto freónu alebo izobutánu však PTR pracuje s héliom, čo mu umožňuje ochladzovať veci až na teoretické hranice fyziky. Funguje to, ale na dosiahnutie požadovanej chladivosti je potrebných až niekoľko dní a veľa energie.
Výskumník z amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie (National Institute of Standards and Technology - NIST) Ryan Snodgrass a jeho tím sa pozreli na to, ako technológia PTR funguje, a snažili sa zistiť, ako ju zefektívniť. Zistili, že je potrebná prekvapivo jednoduchá oprava. Tím zistil, že PTR funguje veľmi dobre pri teplotách blízkych absolútnej nule, ale pri izbovej teplote, pri ktorej sa musí začať chladenie, je z hľadiska účinnosti trochu neúspešný.
Zistili tiež, že pri vyšších teplotách je plynné hélium pod takým vysokým tlakom, že sa namiesto chladenia neustále presúva do prepúšťacieho ventilu. Zmenou mechanických spojení medzi kompresorom a chladičom a následným nastavením ventilov tak, aby boli na začiatku procesu otvorené a postupne sa zatvárali, keď chladenie pokračovalo, sa podarilo vedcom dosiahnuť oveľa vyššiu účinnosť a ochladiť veci rýchlejšie o polovicu až štvrtinu. A to všetko bez plytvania cenným héliom.
Podľa tímu, ak by sa prototyp nového kryogénneho chladiča podaril uviesť na trh a nahradiť ním súčasné zariadenia, ročne by sa ušetrilo 27 miliónov wattov energie, 30 miliónov amerických dolárov v celosvetovom meradle a dostatok chladiacej vody na naplnenie 5 000 olympijských plaveckých bazénov. To by mohlo podstatne zmeniť pomer nákladov a výnosov pre celý rad ultrachladiacich technológií.
Výskum bol nedávno uverejnený v magazíne Nature Communications.
