Ионокалорическое охлаждение использует принцип сохранения или высвобождения энергии при изменении агрегатного состояния вещества, например, при переходе от твердого льда к жидкой воде. При плавлении материал поглощает тепло из окружающей среды, а при затвердевании — выделяет. Ионокалорический цикл вызывает это фазовое и температурное изменение за счет потока ионов (электрически заряженных атомов или молекул), которые исходят из соли.

Исследователи надеются, что однажды этот метод сможет обеспечить эффективное отопление и охлаждение, на которые приходится более половины энергии, используемой в домах, и поможет поэтапно отказаться от существующих систем "компрессии пара". В таких устройствах в качестве хладагентов используются газы с высоким потенциалом глобального потепления. Ионокалорическое охлаждение устранит риск утечки этих газов в атмосферу, заменив их твердыми и жидкими компонентами.

"Ландшафт хладагентов — это нерешенная проблема: никому не удалось успешно разработать альтернативное решение, которое охлаждает вещи, работает эффективно, безопасно и не наносит вреда окружающей среде, — говорит Дрю Лилли, руководивший исследованием  сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли — Мы думаем, что ионокалорический цикл может достичь всех этих целей, если его правильно реализовать".

Поиск решения, которое заменит существующие хладагенты, имеет важное значение для достижения странами целей в области изменения климата, поставленных, например, Монреальским протоколом. Соглашение обязывает его участников сократить производство и потребление гидрофторуглеродов (ГФУ) не менее чем на 80% в течение следующих 25 лет. ГФУ — это мощные парниковые газы, которые обычно встречаются в холодильниках и системах кондиционирования воздуха и могут улавливать тепло в тысячи раз эффективнее, чем CO2.

Новый ионокалорический цикл пополняет целый ряд других способов "калорического" охлаждения, в том числе основанных на магнетизме, давлении, растяжении и электрических полях. При помощи этих сил осуществляется манипулирование твердыми материалами, чтобы они поглощали или выделяли тепло. Использование жидкости имеет дополнительное преимущество: такой материал, в отличии от твердотельного носителя, можно перекачивать, что облегчает подачу тепла в систему или из нее.

Команда ученых под руководством Лилли, изложила теорию, лежащую в основе ионокалорического цикла. Они подсчитали, что новый метод может конкурировать или даже превосходить эффективность газообразных хладагентов, используемых сегодня в большинстве систем. Исследователи также продемонстрировали практическое применение нового подхода. Лилли использовал соль, приготовленную из йода и натрия, наряду с этиленкарбонатом — обычным органическим растворителем, используемым в литий-ионных батареях.

"Существует потенциал для использования хладагентов, которые имеют не только нулевой, но и отрицательный потенциал глобального потепления, — говорит Лилли. — Использование такого материала, как этиленкарбонат, на самом деле может быть углеродно-отрицательным, потому что вы производите его, используя углекислый газ в качестве исходного материала. Это может дать нам возможность использовать CO2 для улавливания углерода".

Проходящий через систему ток перемещает ионы, изменяя температуру плавления материала. При плавлении материал поглощает тепло из окружающей среды, а когда ионы удаляются и вещество затвердевает — оно отдает тепло обратно. Первый эксперимент показал изменение температуры на 25 градусов по Цельсию при использовании менее одного вольта. Это больше, чем продемонстрировали другие калорические технологии.

В то время как калорические методы часто обсуждаются с точки зрения их охлаждающей способности, они также могут быть использованы для таких приложений, как нагрев воды или промышленное отопление. В настоящее время команда ученых продолжает работу над прототипами, чтобы определить, как разработанный ими подход может масштабироваться.

Подробнее новый метод описан в статье, опубликованной в журнале Science.