科学家开发了一种制冷的新方法:“离子热冷却”

研究人员希望，离子冷却有朝一日能够帮助取代具有高全球变暖潜力的制冷剂，并为家庭提供安全、高效的冷却和加热。

在冬季，你会经常看到市政卡车在道路和人行道上喷洒盐，以清除它们的雪。虽然没有添加热量，但盐的溶解有效地降低了水的冰点，这解释了为什么冰在零度以下的温度下也会融化。由于自然界是以能量守恒为指导的，融化的冰会冷却其环境。值得注意的是，这种情况的发生不需要能量输入，这给了一些科学家一个很有启发的想法。

在一项新的研究中，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员已经应用这一基本概念，开发出一种新的加热和冷却方法并设计了一种新的制冷设备。与你的厨房冰箱相比，它以一种完全不同的方式冷却东西。这种新方法被认为不仅更节能，而且对环境更友好，因为传统的制冷方式依赖于极其强烈的温室气体作为其冷却剂。这项技术被他们命名为 "离子冷却"，在2022年12月23日发表在《科学》杂志上的一篇论文中有所描述。

离子冷却如何工作

与传统的制冷方式类似，这种被称为 "离子冷却 "的新的冷却技术利用了这样一个事实：当材料改变相位时，例如从固态冰变成液态水时，会吸收或释放热量。融化的材料从周围环境中吸收热量，而凝固的材料则释放热量。为了让冰融化，它必须从周围环境中吸收热量，而当水冻结成固体时，它会向环境释放热量。离子循环通过来自盐的离子（带电的原子或分子）的流动引起这种相位和温度变化。

在离子发热装置中，这种相变不是通过加压或加热材料实现的，而是通过离子的流动实现的，离子是带电的原子或分子。

当一个电场被施加到一个材料上时，该材料中的离子经历了一个力并开始移动。这种运动导致材料的熵的变化，从而导致温度的变化。通过以可控的方式施加和移除电场，有可能利用离子热效应来产生冷却或加热。

研究人员希望该方法有朝一日能够提供高效的加热和冷却，这占家庭使用能源的一半以上，并帮助淘汰目前的 "蒸汽压缩 "系统，该系统使用具有高全球变暖潜力的气体作为制冷剂。离子制冷将通过用固体和液体成分取代这些气体来消除这些气体逃逸到大气中的风险。

但这种方法实际上可行吗？在完善了电离辐射循环的基础理论并通过实验证明了这一技术之后，美国伯克利实验室的物理学家们肯定认为是这样。

领导这项研究的美国伯克利实验室研究生研究助理、美国加州大学伯克利分校博士生德鲁·利雷(Drew Lilley)说："制冷剂的情况是一个未解决的问题：没有人成功地开发出一种替代解决方案，使东西变冷，高效工作，安全，并且不伤害环境。我们认为，如果能适当地实现，离子钙循环有可能满足所有这些目标。"

Ionocaloric装置是一种利用离子运动的固态技术，与依靠液体的相变来吸收热量并产生冷却的传统冷却不同。不需要压缩机或膨胀阀，也不需要任何运动部件，这意味着离子发热冰箱有可能更加节能、环保，能够根据情况快速加热或冷却，并能覆盖更广泛的温度范围。

冷却的未来

研究小组进行了实验，使用由碘和钠制成的盐来融化碳酸乙烯酯晶体，这是锂离子电池中经常使用的一种有机溶剂。仅仅使用一个伏特的电荷，系统的温差就高达25摄氏度（45华氏度）。

新的研究还提到，电离子循环有可能与当今大多数系统中的气态制冷剂的效率竞争，甚至超过其效率。此外，通过使用像碳酸乙烯这样的材料（可通过使用二氧化碳作为输入来生产），该制冷剂可能具有负的全球变暖潜能，这意味着它实际上可以从大气中清除碳。

找到一种替代当前制冷剂的解决方案对各国实现气候变化目标至关重要，例如《基加利修正案》（由145个缔约方，包括美国在2022年10月接受）中的目标。该协议要求签署国承诺在未来25年内将氢氟碳化物（HFCs）的生产和消费至少减少80%。氢氟碳化物(HFCs)是冰箱和空调系统中常见的强大的温室气体，其捕获热量的效果是二氧化碳的数千倍。

新的电离辐射循环加入了其他几种正在开发的 "热量 "冷却。这些技术使用不同的方法，包括磁力、压力、拉伸和电场来操纵固体材料，使它们吸收或释放热量。离子冷却的不同之处在于使用离子来驱动固体到液体的相变。使用液体有一个额外的好处，那就是使材料可泵送，使热量更容易进入或流出系统，这是固态冷却一直在努力解决的问题。

德鲁·利雷(Drew Lilley)是伯克利实验室能源技术领域的研究人员，也是加州大学伯克利分校机械工程系的兼职教授，他们提出了离子钙循环的理论。他们计算出，它有可能与当今大多数系统中的气体制冷剂的效率竞争，甚至超过其效率。

他们还通过实验证明了这项技术。德鲁·利雷(Drew Lilley)使用了一种由碘和钠制成的盐，以及碳酸乙烯酯，一种用于锂离子电池的常见有机溶剂。

有可能拥有的制冷剂不仅是GWP（全球变暖潜能值）为零的，而且是GWP为负的。使用像碳酸乙烯这样的材料实际上可能是负碳的，因为你通过使用二氧化碳作为输入来生产它。这可以为我们提供一个使用碳捕获的二氧化碳的地方。

在该系统中运行电流会移动离子，改变材料的熔点。当它融化时，材料从周围环境中吸收热量，而当离子被移除，材料凝固时，它将热量反馈出来。第一个实验显示，使用不到一伏的电压就能实现25摄氏度的温度变化，比其他热量技术所展示的温度提升更大。

在这个过程中，研究人员试图平衡三件事：制冷剂的全球升温潜能值、能源效率和设备本身的成本，从第一次尝试来看，研究人员的数据在这三个方面看起来都很有希望。

虽然热量方法经常在其冷却能力方面被讨论，但循环也可用于水加热或工业加热等应用。离子热量团队正在继续进行原型工作，以确定该技术如何扩展以支持大量的冷却，改善该系统可以支持的温度变化量，并提高效率。

该研究团队有这个全新的热力学循环和框架，它汇集了不同领域的元素，而且他们已经证明它可以工作。现在，是时候进行试验，测试不同的材料和技术组合，以应对工程挑战。