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    Evitare uno scricchiolio energetico con un raffreddamento più efficiente

    Con le temperature mondiali che dovrebbero salire, le reti elettriche possono essere sovraccariche a causa di sistemi di raffreddamento inefficienti. I ricercatori del PNNL hanno sviluppato una tecnologia di raffreddamento più efficiente che riduce il consumo di energia. Credito:Wang An Qi | Shutterstock.com

    Con l'aumentare delle temperature, si accendono i condizionatori. Il raffreddamento richiede molta energia, il che mette a dura prova le reti elettriche e fa aumentare le emissioni nei paesi ancora dipendenti dai combustibili fossili.

    Quasi il 20% dell'elettricità utilizzata nel mondo viene utilizzata per il raffreddamento degli edifici. Lasciato deselezionato, questo numero potrebbe triplicare entro il 2035. Una soluzione:sviluppare tecnologie per rendere più efficiente il raffreddamento.

    I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) stanno sviluppando una tecnologia di raffreddamento alternativa che utilizza l'adsorbimento (con una "d"), l'adesione e il rilascio di composti refrigeranti da parte di un materiale adsorbente. Alla ricerca di vari materiali nanoporosi come adsorbenti, i ricercatori si sono rivolti ai polimeri organici covalenti (COP). I COP possono assorbire tre volte più refrigerante rispetto alle migliori alternative disponibili, con conseguente raffreddamento più efficiente.

    Ma la storia di come è avvenuta questa recente scoperta è un po' inaspettata. Piccoli difetti nel materiale hanno aumentato l'adsorbimento in modo perfettamente imperfetto.

    "Era insolito, sai? Sapevamo che stava accadendo qualcosa di inspiegabile con i nostri risultati, ma non ero esattamente sicuro del perché, " disse Radha Motkuri, un ingegnere chimico del PNNL che ha guidato lo studio, che è stato selezionato come articolo HOT e nella top 10% delle pubblicazioni in Angewandte Chemie .

    Raffreddamento più efficiente... per caso

    Alcune delle grandi scoperte del mondo sono state fatte per caso, come il nylon, l'invenzione delle microonde, o anche vetro infrangibile. In caso di raffreddamento, alcuni piccoli difetti hanno portato a grandi intuizioni.

    Per l'ultimo decennio, Peter McGrail, un borsista di laboratorio PNNL, e Motkuri, insieme alla loro squadra, hanno studiato materiali che sono più efficienti nell'adsorbire i comuni refrigeranti utilizzati nella loro tecnologia di raffreddamento ad adsorbimento. Hanno fatto grandi passi avanti nella progettazione di diversi tipi di materiali porosi che ospitano refrigeranti. Ma pensavano che ci potesse essere un potenziale inesplorato in altri materiali nanoporosi, compresi i COP.

    "Mentre i problemi climatici continuano a crescere, trovare modi per ridurre il consumo di energia, ad esempio attraverso un raffreddamento alternativo e più efficiente, è un must assoluto, " ha affermato McGrail. "Questa ricerca si basa sulla nostra tecnologia di raffreddamento vincitrice del premio R&D 100 Award 2017".

    Si prevede che la futura domanda di energia aumenterà, e l'aria condizionata richiede già molta energia. Credito:Demian Cher | Shutterstock.com

    I polimeri sono utilizzati in tutti i ceti sociali, dagli shampoo alle tute spaziali. Possono essere combinati con altri elementi per servire scopi diversi:se combinati con il carbonio, Per esempio, possono essere trasformati in poliestere e nylon.

    Il team ha testato 23 diversi COP per vedere il loro potenziale per il raffreddamento o la refrigerazione ad adsorbimento. La maggior parte stabilizzata con basse capacità di adsorbimento, il che significa che non potevano più assorbire ed erano al massimo. Ma, due no:l'assorbimento è aumentato. E continuava a salire.

    "Pensavamo che ci fosse qualcosa di sbagliato nello strumento quando abbiamo testato le capacità di adsorbimento. I tassi erano molto più alti di quanto ci aspettassimo, " disse Motkuri.

    Così, hanno riprovato. Hanno ottenuto gli stessi risultati. Due composti, chiamati COP-2 e COP-3, aveva capacità di adsorbimento alle stelle. Erano così alti che era al di là di ciò che i ricercatori si aspettavano. Così, Motkuri ha contattato un collaboratore in Francia, Guillaume Maurin all'Università di Montpellier, con esperienza in simulazioni molecolari per prevedere l'adsorbimento di questi due polimeri.

    Come un viscido, COP-2 e COP-3 sono anelli chimici di carbonio e azoto, tutti accatastati insieme. Hanno dovuto disimballare ogni strato per vedere come influenzava l'adsorbimento.

    Stranamente, i modelli di struttura simulati COP-2 e COP-3 non hanno portato ai livelli di adsorbimento che hanno visto al banco di laboratorio. Nelle simulazioni, l'adsorbimento si è stabilizzato. Nel laboratorio, però, è salito in modo esponenziale.

    "È stato allora che ci siamo resi conto che stava succedendo qualcos'altro, " disse Motkuri. "E, il nostro team ha avuto un'idea." Sulla base del lavoro precedente, i ricercatori sapevano che i piccoli difetti svolgono un ruolo interessante nell'adsorbimento. "E se aggiungessimo difetti a questi modelli di struttura COP nella simulazione?"

    Difetti tutt'altro che difettosi

    Maurin e il suo team hanno utilizzato simulazioni per creare piccoli fori, o difetti, nel materiale rimuovendo alcune delle caratteristiche chimiche dagli anelli.

    Radha Motkuri e il suo team hanno testato 23 diversi COP per vedere se l'assorbimento aumentava o si stabilizzava. Credito:Andrea Starr | Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale

    "È stato allora che abbiamo visto accadere qualcosa di magico, " disse Motkuri. L'assorbimento aumentò, e l'adsorbimento per i polimeri altamente difettosi allineati con i risultati di laboratorio.

    Hanno scoperto che i difetti strategici migliorano l'assorbimento nei COP, il che spiegava l'aumento dei tassi che avevano visto in laboratorio.

    "Due dei COP che stavamo testando in laboratorio avevano dei difetti all'inizio, " disse Maurin. "A volte le cose funzionano, anche quando è un po' inaspettato".

    Perché un raffreddamento efficiente è così importante per il clima?

    Il raffreddamento non è solo per il comfort in una calda giornata estiva. Il caldo estremo è un pericolo mortale per la salute. Con l'aumento delle temperature globali, alcune regioni popolate potrebbero diventare troppo calde per essere abitabili in alcuni periodi dell'anno.

    Inoltre, le future richieste di energia dovrebbero aumentare, e l'aria condizionata richiede già molta energia. Nel 2019, L'8,5% del consumo di elettricità negli Stati Uniti proveniva da condizionatori d'aria, secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia. In tutto il mondo, le reti elettriche possono essere sovraccaricate con l'aumento del numero di sistemi di raffreddamento, le popolazioni crescono, e aumentano i redditi, consentendo a più persone di permettersi i condizionatori d'aria.

    Ciò diventa particolarmente importante nelle aree in cui l'energia non proviene da fonti verdi. Si prevede che l'aria condizionata aumenterà notevolmente nei paesi in cui è attualmente meno comune, come l'Indonesia o l'India.

    I condizionatori d'aria ad alte prestazioni potrebbero dimezzare la richiesta di energia per il raffreddamento. Lo sviluppo di tecnologie nella spinta verso un raffreddamento più efficiente è un obiettivo chiave, soprattutto perché l'energia necessaria per il raffreddamento dovrebbe triplicare nei prossimi tre decenni. Lo sviluppo della tecnologia per un raffreddamento più efficiente può aiutare a mitigare le sfide in un mondo in rapido riscaldamento.


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