Încă de când era un tânăr student la inginerie care contempla direcția cercetării sale doctorale, Jaka Tušek știa că vrea să împingă limitele științei. „Voiam să lucrez la ceva revoluționar, să abordez ceva care nu s-a mai făcut până acum.”
Astăzi, cercetătorul sloven este în pragul primei descoperiri revoluționare în materie de tehnologii de răcire din ultimii 100 de ani. Munca sa aduce soluții la una dintre provocările fundamentale ale vremurilor noastre: răcirea într-o lume care se încălzește, fără a o mai polua.
Este timpul schimbării
Tehnologia de compresie a vaporilor folosită în mod obișnuit de frigidere, aparatele de aer condiționat și alte tehnologii de răcire datează de peste un secol și este relativ ineficientă și dăunătoare mediului.
Deși cei mai dăunători agenți frigorifici au fost interziși încă din 1989, cei care i-au înlocuit – hidrofluorocarburile – s-au dovedit a avea un efect de seră de sute de mii de ori mai mare decât CO2.
„Dacă un kilogram dintr-un astfel de agent frigorific se evaporă în atmosferă, acesta va avea aproximativ același efect de seră ca și conducerea unui autoturism pe o distanță de circa 30.000 de kilometri”, spune Tušek.
Din acest motiv, și hidrofluorocarburile vor fi eliminate treptat. Alternativele naturale, cum ar fi amoniacul și izobutanul, vin însă cu propriul lor set de probleme, de la toxicitate și explozibilitate la eficiența slabă în climatele calde.
O soluție solidă la răcire
Plecând de la descoperirile unui proiect de cercetare finanțat de UE și denumit SUPERCOOL, care s-a derulat la Universitatea din Ljubljana (Slovenia) din 2019 până în 2023, echipa lui Tušek dezvoltă acum un sistem cu o abordare fundamental diferită. Agenții frigorifici toxici sunt înlocuiți cu tuburi metalice.
Deși astfel de tehnologii de răcire bazate pe materiale în stare solidă sunt încă într-un stadiu incipient, se speră că vor putea oferi dispozitive de răcire mai sigure, care să funcționeze silențios și mai eficient, fără a polua mediul.
Cercetătorii de la Universitatea din Ljubljana lucrează acum pentru a aduce această nouă tehnologie pe piață.
Aceștia pregătesc un brevet și elaborează un plan pentru adoptarea în cadrul industriei ca parte a E-CO-HEAT, o altă inițiativă de cercetare finanțată de UE, care se derulează până la începutul anului 2026.
Adoptarea unor tehnologii de încălzire și răcire mai eficiente și mai sustenabile este pilonul central al Strategiei UE pentru încălzire și răcire, un segment vital al Pactului verde european.
În prezent, răcirea reprezintă 10% din cererea mondială de energie electrică, potrivit Agenției Internaționale a Energiei (AIE). Și mai rău este că nevoia de tehnologii de răcire crește exponențial, din cauza temperaturilor tot mai ridicate și a cererii în creștere din țările în curs de dezvoltare.
„Nimeni nu vrea să lucreze la 50 de grade Celsius și în condiții de umiditate de 90%”, spune Tušek.
În prezent, la nivel mondial, există circa 2 miliarde de unități de aer condiționat, cifră care ar urma să se tripleze până în 2050, potrivit AIE.
„Această creștere, la care se adaugă faptul că sunt relativ ineficiente și dăunătoare mediului, ar putea duce la un dezastru de mediu”, spune Tušek.
În căutarea eficienței pentru răcire
Răcirea depinde de interacțiunile chimice de bază ale schimbărilor de fază, atunci când materia trece dintr-o stare (solidă, lichidă sau gazoasă) în alta.
În cazul agenților frigorifici tradiționali, transformarea din lichid în gaz și înapoi este cea care alimentează ciclul de răcire. Unele materiale, însă, cum ar fi un aliaj de nichel-titan cunoscut sub numele de nitinol, pot trece printr-o transformare de fază rămânând în stare solidă.
„În cuvinte simple, atunci când sunt supuse unui stres mecanic, se încălzesc, iar când nu mai sunt supuse unui astfel de stres, se răcesc”, spune Žiga Ahčin, cercetător în cadrul proiectului. Tehnologia se numește răcire elastocalorică, calorică în acest caz referindu-se la căldură.
Spre deosebire de agenții frigorifici tradiționali, aceste materiale nu dăunează oamenilor sau mediului. În fapt, firele de nitinol sunt biocompatibile și sunt utilizate în mod obișnuit în medicină. Teoretic, sistemul ar putea fi și mult mai eficient, deși ar mai fi de lucru la acesta.
„Prototipul nostru este în prezent la 15% din eficiența maximă posibilă, în timp ce compresia vaporilor are o eficiență de 20-30%”, spune Tušek.
„Noi dezvoltăm însă această tehnologie de mai puțin de 10 ani, în timp ce tehnologia de compresie a vaporilor este pe piață de peste o sută de ani, prin urmare cred că avem un oarecare spațiu de manevră.”
O premieră mondială
Teoretic, răcirea elastocalorică ar putea atinge o eficiență de până la 70%, dar există o problemă majoră. Firele de nitinol se degradează rapid atunci când sunt întinse în mod repetat pentru a induce o schimbare de fază, un fenomen cunoscut sub numele de slăbire.
„Să zicem că dispozitivul funcționează 10.000 de cicluri de încărcare. Aceasta înseamnă două-trei zile și gata”, spune Ahčin. Nu părea promițător.
Apoi, însă, a explicat acesta, Tušek a avut ideea să comprime materialele în loc să le întindă, reducând stresul fizic asupra firelor.
Prototipul rezultat a fost o premieră mondială, atingând noi niveluri de performanță în materie de încălzire și răcire fără a degrada materialele pe care se baza.
„Am demonstrat că durata de viață a unor astfel de materiale poate fi practic nelimitată”, spune Tušek. „În același timp, prototipul nostru este primul din lume care funcționează într-un interval de peste 30 de grade Celsius, ceea ce este esențial pentru aplicațiile practice de răcire și încălzire.”
Din laborator în lume
Cercetătorii de la Universitatea din Ljubljana au colaborat cu universități din Germania și Italia, precum și cu o companie de tehnologie din Irlanda, pentru a dezvolta un aparat de aer condiționat avansat bazat pe această tehnologie.
Această colaborare sub numele de SMACool a beneficiat, de asemenea, de finanțare din partea UE.
„Facem progrese mai rapide atunci când lucrăm într-un astfel de mod interdisciplinar”, spune Tušek, menționând faptul că fiecare universitate contribuie cu un domeniu diferit de expertiză. Acesta este optimist că tehnologia ar putea ajunge pe piață în următorii 5-10 ani.
„Este grozav să ne gândim că această tehnologie ar putea fi într-o zi peste tot”, spune Ahčin. „Și copiii mei ar putea spune că tatăl lor a dezvoltat-o.”
Articol scris de Kaja Šeruga
Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin programul Orizont al UE. Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.
Mai multe informații
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.