Úplne nový typ tepelného čerpadla by mohol zásadne zmeniť klimatizáciu domov

Používanie ekologicky škodlivých plynov v klimatizáciách a chladničkách by sa mohlo stať zbytočným. Vedci totiž vynašli nový druh tepelného čerpadla a jeho prototyp opísali v štúdii uverejnenej v časopise Science. Ten využíva na ohrievanie alebo chladenie vzduchu elektrické pole a špeciálnu keramiku namiesto striedavého odparovania chladiacej kvapaliny a jej kondenzácie pomocou kompresora. Emmanuel Defay, materiálový vedec z Luxemburského inštitútu vedy a techniky v Belvaux, a jeho spolupracovníci zostrojili svoje experimentálne zariadenie z keramiky so silným elektrokalorickým účinkom.

Materiály, ktoré vykazujú tento efekt, sa pri vystavení elektrickému poľu zahrievajú. V elektrokalorickom materiáli majú atómy elektrickú polarizáciu – miernu nerovnováhu v rozložení elektrónov, ktorá dáva týmto atómom plusový a mínusový pól. Keď je materiál v pokoji, polarizácia atómov sa neustále otáča v náhodných smeroch. No keď je vystavený elektrickému poľu, všetky elektrostatické póly sa zrazu vyrovnajú ako vlasy učesané jedným smerom. Tento prechod od neporiadku k poriadku znamená, že entropia elektrónov (fyzikálny spôsob merania neporiadku) náhle klesne, vysvetľuje Defay.

Zákony termodynamiky však hovoria, že celková entropia systému nemôže nikdy klesnúť, takže ak niekde klesne, inde musí vzrásť. „Jediná možnosť, ako sa materiál môže zbaviť tohto dodatočného neporiadku, je vliať ho do mriežky svojej kryštálovej štruktúry,“ hovorí Defay. Tento dodatočný neporiadok znamená, že atómy začnú rýchlejšie vibrovať, čo vedie k zvýšeniu teploty. Výskumníci potom odvádzajú teplo prúdením kvapaliny medzi doskami elektrokalorického materiálu, pričom elektrické pole zostáva zapnuté. Výsledkom je, že doska sa vráti na pôvodnú teplotu okolia, ale má nižšiu polarizačnú entropiu.

Ak potom vedci vypnú elektrické pole, vyvolá to opačný efekt: polarizácie sa opäť stanú chaotickými a entropia sa vyleje z atómovej mriežky keramiky a odnesie so sebou teplo. Mriežka sa tak stáva chladnejšou ako teplota okolia a môže ochladzovať kvapalinu čerpanú medzi doskami. Cyklus sa potom začína odznova. V chladničke alebo klimatizácii by sa teplo z ohriatej kvapaliny rozptýlilo do okolia, zatiaľ čo ochladená kvapalina by slúžila na udržiavanie chladu v interiéri alebo v miestnosti. Pri vykurovaní by tepelné čerpadlo ochladzovalo vonkajšie prostredie a získavalo by z neho teplo, ktoré by sa čerpalo do budovy. Defay tvrdí, že hoci táto technológia ešte nie je pripravená na komercializáciu, po ďalšom zdokonalení by účinnosť elektrokalorického tepelného čerpadla jeho tímu mohla byť konkurencieschopná s účinnosťou existujúcich tepelných čerpadiel.

Pritom tepelné čerpadlá založené na kompresoroch sú už teraz veľmi účinné. Napríklad pri používaní na vykurovanie budov môžu pri rovnakej spotrebe elektrickej energie získať trikrát alebo viackrát viac tepla ako ohrievače. Na rozdiel od štandardného tepelného čerpadla by však elektrokalorické tepelné čerpadlo nepotrebovalo chladivá, ako sú fluórované uhľovodíky alebo amoniak, ktoré sú potenciálne škodlivé pre životné prostredie. A keďže nie je potrebný kompresor, mohlo by ísť o menšie a jednoduchšie zariadenie.

Zdroj: nature.com.