Расплавить здание, чтобы сэкономить топливо?

Использование материалов, замерзающих при комнатной температуре, может революционизировать технологии хранения энергии

Солнце встало, и недавно построенное здание на территории Вашингтонского университета в Сиэтле буквально начинает таять.

Это не изъян конструкции: в стенах и потолках здания содержится гель, который затвердевает ночью и плавится при дневном свете. Известный под названием «материал с фазовым переходом», этот гель помогает сократить объемы электроэнергии, затрачиваемой на охлаждение офисных помещений факультета молекулярной инженерии, на целых 98%.

Материалы с легким переходом из одной фазы в другую далеко не все так высокотехнологичны. Мы используем лед – материал, тающий при 0°C– для охлаждения уже тысячи лет. Однако заметный прогресс в материаловедении и растущие цены на энергоносители приводят к разработке новых веществ, помогающих не только охлаждать или нагревать вещи, но и аккумулировать энергию.

Материалы с фазовым переходом так заманчивы благодаря способности поглощать и высвобождать большие объемы энергии, сохраняя при этом практически постоянную температуру.  «Для растапливания льда требуется столько же энергии, сколько необходимо для нагрева аналогичного объема воды до 82°C», – отмечает Ян Косны, специалист Центра Фраунгофера по разработке экологически чистых источников энергии (Кембридж, Массачусетс). Тридцать лет назад ученый начал исследовать свойства материалов с фазовым переходом на примере пчелиного воска как вещества для хранения солнечного тепла. Основное полезное свойство таких материалов заключается в том, что при разрыве молекулярных связей во время плавления требуется энергия – она высвобождается, когда вещество застывает и связи восстанавливаются.

Гель, используемый в здании университета, биологического  происхождения – его производят из растительных масел. Каждый вечер, когда окна в корпусе будут автоматически открываться, чтобы впустить прохладный воздух, гель будет «заряжаться». На следующий день затвердевший гель, расплавляясь, поглощает тепло. Принцип действия геля схож с «работой» толстого слоя бетона или стен из необожженного кирпича, которые уменьшают температурные колебания в помещении, но при этом требуется лишь небольшая часть материала. «Наш биогель имеет толщину 1,25 см, но при этом действует так же, как 25-сантиметровый слой бетона», – объясняет  Питер Хорват, основатель компании «PhaseChangeEnergySolutions» (Ашборо, Северная Каролина).

В отчете, недавно опубликованном исследовательской компанией «LuxResearch» предсказывается, что к 2020 году продажа материалов с фазовым переходом для строительной промышленности возрастет от нуля до 130 миллионов долларов в год.

Тем временем, ученые изобретают новые способы применения материалов с фазовыми переходами. Британская компания «StarRefrigeration» использует диоксид углерода, переходящий из жидкого в газообразное состояние при очень низких температурах, для охлаждения дата-центров. С объемами тепла, высвобождаемого современными высокопроизводительными серверными комплексами, справится далеко не каждая передовая система охлаждения. Пропуская углекислый газ через теплообменники, компания достигла двукратной эффективности по сравнению со старой системой.

В западном Китае материалы с фазовым переходом, полученные из жира яков и местных растений помогают пастухам обогреваться. Вещество, покрытое пластиком, вплетается в традиционные одежды. Когда пастухи поднимаются на горные пастбища, вещество нагревается, а когда они останавливаются, оно медленно отдает тепло обратно.

Кроме того, более 100 семей участвуют в экспериментальном исследовании, частью которого является  использование спальных мешков со вставками из материалов с фазовым переходом: днем они нагреваются от кухонных плит, а ночью согревают своих хозяев. «Участники эксперимента начинают замечать, насколько меньше топлива им требуется», – отмечает Скот Фрэнк, сотрудник компании «OneEarthDesigns», занимающейся разработкой новых материалов с легкообратимыми фазами.

Еще одной многообещающей сферой применения МФП может стать перевозка вакцин в развивающихся странах. Во время транспортировки вакцины должны храниться в прохладе, что может стать проблемой для некоторых государств. Обычно ампулы охлаждают с помощью льда, но их эффективность может существенно снизиться, если они замерзнут. По словам сотрудников компании «Sonoco», производителя упаковочных материалов, при использовании материалов, меняющих агрегатное состояние при температуре 4-8°C, вакцины могут оставаться прохладными до 6 дней. В данный момент специалисты компании совместно с некоммерческой организацией-разработчиком биотехнологий «PATH» испытывают новую упаковку, чтобы привести ее свойства в соответствие со стандартами Всемирной организации здравоохранения.

Использование материалов с фазовым переходом для хранения энергии может также стимулировать развитие солнечной энергетики. Современные термальные гелиоустановки используют расплавленную соль для хранения тепла. Это позволяет станциям производить энергию тогда, когда солнце не светит, но требует большого количества жидкости и огромных, хорошо изолированных хранилищ. Благодаря веществам, легко меняющим фазовое состояние, можно сократить объемы материала для аккумулирования энергии на две трети, утверждают специалисты немецкой компании «SGLCarbon». В данный момент они проводят испытание опытного образца.

Для инициатора исследований нынешний интерес к материалам с фазовым переходом служит своеобразным признанием его заслуг. «Десять лет назад, когда я выступал за развитие МФП, никто не проявлял интереса; сегодня мы не просто успеваем их разрабатывать».

Phil McKenna, NewScientist(выпуск №2846), перевод с английского – Наталья Пристром