دستگاه های تهویه مطبوع که هوای محیط زیست را دارند
در نقاط مختلف جهان، در فصول گرم سال، مردم برای غلبه بر افزایش دمای هوا، کولرهای گازی خود را روشن می کنند. در سالیان گذشته، تهویه مطبوع و استفاده از کولرهای گازی بر پایه فشرده سازی گاز، به یک فناوری بسیار کارآمد و ضروری در زندگی مدرن و امروزی تبدیل شده است. اما مبرِّدهای هیدروفلوئروکربن در این دستگاه ها و سایر دستگاه های خنک کننده، گازهای گلخانه ای قوی و از محرک های اصلی تغییرات آب و هوا هستند.
اثرات سوء دستگاه های تهویه مطبوع بر محیط زیست:
اثر گلخانه ای هیدروفلوئوروکربن ها یک تا پنج هزار برابر CO2 بوده و انتشار ناخواسته آن ها در اتمسفر سهمی 4 درصدی در گرمایش زمین دارد و انتظار می رود با بالا رفتن سطح درآمد در کشورهای در حال توسعه و افزایش دما در سطح زمین، تقاضا برای دستگاه های تهویه مطبوع تا سال 2050 سه برابر شود. این امر میزان انتشار گازهای گلخانه ای را چند برابر می کند، تا جایی که ممکن است در 30 سال آینده، سهم آلایندگی هیدروفلوئوروکربن ها به 10 درصد افزایش پیدا کند.
برای کاهش اثرات سوء دستگاه های تهویه مطبوع بر محیط زیست، دانشمندان ساخت نمونه اولیه از دستگاهی را گزارش کرده اند که می تواند جایگزین مناسبی برای خنک کننده های موجود در بازار باشد. این دستگاه از مبردهای جامد برای انجام عمل تبرید استفاده می کند و بسیار دوست دار محیط زیست است.
تحقیقات دانشمندان بر روی دستگاه های تهویه مطبوع:
نتایج تحقیقات دانشمندان در 23 آگوست 2022 (شهریور 1401) در نشست انجمن شیمی آمریکا که توسط دکتر آدام اسلاونی ارائه شد بیان می دارد که "نصب یک دستگاه تهویه مطبوع و یا دور انداختن آن، تأثیر زیادی بر گرم شدن زمین دارد و مبردهای استفاده شده در این سیستم ها هزار برابر قوی تر از دی اکسید کربن هستند. این مبردها ممکن است به طور تصادفی از کولرهای گازی خارج شده و در جو منتشر شوند. مبردها در سیستم های خنک کننده معمولی، مانند سیستم های تهویه مطبوع، هیدروفلوئروکربن ها هستند که با تغییر فاز از حالت گاز به مایع و برعکس، عمل می کنند. هنگامی که مایع به گاز تبدیل می شود، منبسط شده و گرما را جذب می کند و این امر سبب خنک شدن فضای داخلی یک اتاق یا یک یخچال می گردد. نهایتا گاز توسط یک کمپرسور مجددا به مایع تبدیل شده و گرما آزاد می کند. این گرما توسط سیستم های خنک کننده به بیرون از خانه و یا محفظه بسته انتقال می یابد. هرچند که این چرخه بسیار کارآمد است و نزدیک به یک قرن نقش موثری در زندگی بشر ایفا کرده، اما نگرانی های چند دهه اخیر در رابطه با گرم شدن کره ی زمین و محدودیت شدیدی که در استفاده از مبرد های هیدروفلوئروکربنی در پی داشته، موجب تلاش دانشمندان برای یافتن جایگزینی سازگارتر با محیط زیست شده است."
براساس آنچه در نشست مطرح شد، یک راه حل ایده آل استفاده از مبردهای جامد است. برخلاف گازها، مواد جامد به خارج از دستگاه های تهویه مطبوع نشت پیدا نمی کنند. یک دسته از مبردهای جامد، با نام باروکالوریک ها، مشابه سیستم های خنک کننده کنونی عمل می کنند. این مواد از تغییرات فشار برای عبور از چرخه گرما استفاده کرده و فشار وارده بر آن ها موجب تغییر فاز باروکالری ها از جامد به جامد می شود. این بدان معناست که ماده در نهایت جامد باقی می ماند، و تنها ساختار مولکولی و داخلی آن است که تغییر پیدا می کند.
در واقع ویژگی ساختاری مواد باروکالری، جنبه کلیدی تحقیقات انجام شده است، چرا که ساختار زنجیری، منعطف، فلاپی و نامنظم این مواد، تحت فشار، تبدیل به زنجیره های منظم تر و سفت تری می شود و در نهایت این تغییرات موجب ذخیره سازی و سپس آزاد سازی گرما می شود.
جراد میسون، از محققان اصلی پروژه در دانشگاه هاروارد به این مورد اشاره کرده است که: "فرآیند تبدیل یک ساختار نامنظم به یک ساختار منظم، به آرامی ذوب شدن موم است، با این تفاوت که منجر به میعان نمی شود، هنگامی که فشار به باروکالری ها وارد می شود، این ماده گرما را جذب کرده و فرآیند تبدیل را کامل می کند."
با این حال یک نقطه ضعف بزرگ در طراحی سیستم های تهویه مطبوع به وسیله باروکالری ها وجود دارد؛ و آن فشار بالا (بیش از 1000 بار) مورد نیاز برای ورود به چرخه تبدیل در بیش تر این مواد است.
برای تولید فشار های بالا، به دستگاه ها و تجهیزات گران قیمت و تخصصی نیاز است که در خنک کننده های معمولی بصورت عملی کاربردی نیستند. همچنین همان طور که ذکر شد، خنک سازی در این مواد با انتقال فاز از جامد به جامد صورت می پذیرد که این امر سبب تولید بالای پسماند در طی فرآیند تبرید می گردد.
راهکار دانشمندان:
میسون و تیمش اخیرا موفق به شناسایی گروهی از مواد باروکالری، با نام پروسکیت های هالید شده اند که می توانند به عنوان مبرد در فشارهای پایین تر عمل کنند. آن ها در گزارشات خود نشان دادند که پروسکیت ها در سیستم اولیه طراحی شده توسط همین تیم عملکرد مناسبی داشته اند.
به گفته اسلاونی، پروسکیت ها قادر هستند در فشاری پایین تر از آن چه قبلا گزارش شده بود (حدود 200 بار) تبدیل شوند و این فشاری است که یک سیستم هیدرولیک معمولی و استاندارد می تواند در آن کار کند. علاوه بر آن این گروه پسماند کمتری نسبت به دیگر ترکیبات باروکالری که تا کنون بررسی شده اند، تولید می کنند.
دستگاه ساخته شده توسط تیم تحقیقاتی به عنوان نمونه اولیه، دارای سه قسمت اصلی است. یک لوله فلزی که مبرد جامد به همراه یک مایع بی اثر _ آب یا روغن _ در آن قرار دارد. یک پیستون هیدرولیک که فشار مورد نیاز را به مبرد وارد کند و در نهایت مایع موجود در لوله که به انتقال فشار به پروسکیت و انتقال گرما از طریق دستگاه کمک می کند.
پس از حل چالش های مهندسی، از قبیل مشکلات مربوط به تأمین فشار بالا در دستگاه های هیدرولیک، که محققان را در مسیر انجام پژوهش درگیر کرد، تیم نشان داد که مواد باروکالری به عنوان مبردهای جایگزین، می توانند کاربردی عمل کنند و تغیرات فشار را به یک چرخه ی کامل جهت تغییر دما و خنک سازی یک محفظه و منطقه تبدیل کنند. میسون می گوید: سیستم اولیه، هنوز به فشاری برابر با فشار معمول مورد استفاده در دستگاه های تجاری نرسیده است، اما اعضای تیم درحال نزدیک شدن به این فشار و آماده سازی دستگاه برای ورود به بازار جهانی هستند.
با موفق عمل کردن تحقیقات اخیر و نمونه اولیه، دانشمندان قصد دارند به آزمایش انواع دیگر مواد باروکالری نیز بپردازند و تحقیقات خود را در این زمینه گسترش دهند. چنانچه اسلاونی می گوید: ما واقعا امیدواریم که آزمایشات انجام شده به ما در یافتن مواد بهتر کمک کند، موادی که در فشار های پایین تر، عملکرد بهتری را از خود نشان دهند و گرما را بهتر هدایت کنند. ما معتقدیم، این کار اولین قدم برای جایگزینی دستگاه های تهویه مطبوع کنونی، با دستگاه هایی است که کمترین آسیب را به محیط زیست و اکوسیستم وارد می کنند. بودجه تیم تحقیقاتی از سوی مرکز تحقیقات و مهندسی علوم مواد دانشگاه هاروارد، به منظور ایجاد امکان خنک کردن خانه ها بدون گرم کردن زمین، تأمین شده است.