تقوم أنظمة التبريد النموذجية بنقل الحرارة بعيدًا عن الفضاء عبر سائل يمتص الحرارة أثناء تبخره إلى غاز، والذي يتم بعد ذلك نقله عبر أنبوب مغلق ويتم تكثيفه مرة أخرى إلى سائل.

وبقدر فعالية هذه العملية، فإن بعض المواد المختارة التي نستخدمها كمبردات فعالة غير ودية بشكل خاص إلى البيئة.

متعلق ب: قد تكون ثلاجتك حاضنة للبكتيريا – وإليك كيفية الوقاية من ذلك

ومع ذلك، هناك أكثر من طريقة يمكن من خلالها إجبار المادة على امتصاص الطاقة الحرارية والتخلص منها.

وتستفيد الطريقة التي تم الكشف عنها في عام 2023، والتي طورها باحثون من مختبر لورانس بيركلي الوطني وجامعة كاليفورنيا، بيركلي، من الطريقة التي يتم بها تخزين الطاقة أو إطلاقها عندما تتغير مرحلة المادة، كما هو الحال عندما يتحول الجليد الصلب إلى ماء سائل، على سبيل المثال.

ارفع درجة حرارة كتلة من الجليد وسوف تذوب. ما قد لا نراه بسهولة هو أن الذوبان يمتص الحرارة من المناطق المحيطة به، مما يؤدي إلى تبريده بشكل فعال.

إحدى الطرق لإجبار الجليد على الذوبان دون الحاجة إلى رفع الحرارة هي إضافة بعض الجسيمات المشحونة أو الأيونات. يعد وضع الملح على الطرق لمنع تكون الجليد مثالًا شائعًا على ذلك. تستخدم الدورة الأيونية أيضًا الملح لتغيير طور السائل وتبريد البيئة المحيطة به.

“إن مشهد المبردات يمثل مشكلة لم يتم حلها” قال المهندس الميكانيكي درو ليلي من مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا.

“لم ينجح أحد في تطوير حل بديل يجعل الأشياء باردة، ويعمل بكفاءة، وآمن، ولا يضر البيئة. نعتقد أن الدورة الأيونية الحرارية لديها القدرة على تحقيق كل هذه الأهداف إذا تم تحقيقها بشكل مناسب.”

قام الباحثون بصياغة نظرية الدورة الأيونية الحرارية لإظهار كيف يمكن أن تتنافس مع كفاءة المبردات المستخدمة اليوم، أو حتى تحسنها. ومن شأن التيار الذي يمر عبر النظام أن يحرك الأيونات الموجودة فيه، مما يؤدي إلى تحويل نقطة انصهار المادة إلى تغير درجة الحرارة.

أجرى الفريق أيضًا تجارب باستخدام ملح مصنوع من اليود والصوديوم لإذابة كربونات الإيثيلين. يستخدم هذا المذيب العضوي الشائع أيضًا في بطاريات الليثيوم أيون ويتم إنتاجه باستخدام ثاني أكسيد الكربون كمدخل. وقد يؤدي ذلك إلى جعل النظام ليس فقط GWP (إمكانية الاحتباس الحراري) صفرًا ولكن GWP سلبيًا.

تم قياس تحول في درجة الحرارة بمقدار 25 درجة مئوية (45 درجة فهرنهايت) من خلال تطبيق أقل من فولت واحد من الشحن في التجربة، وهي نتيجة تتجاوز ما تمكنت تقنيات السعرات الحرارية الأخرى من تحقيقه حتى الآن.

“هناك ثلاثة أشياء نحاول تحقيق التوازن بينها: القدرة على إحداث الاحترار العالمي لغاز التبريد، وكفاءة استخدام الطاقة، وتكلفة المعدات نفسها.” قال المهندس الميكانيكي رافي براشر من مختبر لورانس بيركلي الوطني.

“من المحاولة الأولى، تبدو بياناتنا واعدة للغاية في جميع هذه الجوانب الثلاثة.”

تعتمد أنظمة ضغط البخار المستخدمة حاليًا في عمليات التبريد على الغازات ذات القدرة العالية على إحداث الاحترار العالمي، مثل مركبات الكربون الهيدروفلورية المختلفة (HFCs).

وقد التزمت البلدان التي وقعت على تعديل كيجالي بخفض إنتاج واستهلاك مركبات الكربون الهيدروفلورية بنسبة 80% على الأقل على مدى السنوات الخمس والعشرين المقبلة ــ ومن الممكن أن يلعب التبريد الأيوني الحراري دوراً رئيسياً في هذا.

الآن، يحتاج الباحثون إلى إخراج التكنولوجيا من المختبر إلى أنظمة عملية يمكن استخدامها تجاريًا وتوسيع نطاقها دون أي مشاكل. وفي نهاية المطاف، يمكن استخدام هذه الأنظمة للتدفئة والتبريد.

تعمل التحقيقات الجارية على تعديل الأملاح المختلفة لمعرفة أي المجموعات قد تكون أكثر فعالية في سحب الحرارة من الفضاء. في عام 2025نشر فريق دولي من الباحثين نتائج دراستهم على نسخة عالية الكفاءة تستخدم الأملاح القائمة على النترات، والتي تم إعادة تدويرها باستخدام المجالات الكهربائية والأغشية.

هذا هو الشيء ذاته الذي توقع براشر وفريقه أن يؤدي إليه بحثهم.

“لدينا هذه الدورة الديناميكية الحرارية الجديدة تمامًا وإطار العمل الذي يجمع عناصر من مجالات مختلفة، وقد أظهرنا أنه يمكن أن ينجح.” قال براشر.

“الآن، حان الوقت لإجراء التجارب لاختبار مجموعات مختلفة من المواد والتقنيات لمواجهة التحديات الهندسية.”

وقد نشر البحث في علوم.

نُشرت نسخة سابقة من هذه المقالة في يناير 2023.