นวัตกรรมระบบทำความเย็นแบบพาสซีฟของ MIT ทำงาน

ตัวอย่างอุปกรณ์ทำความเย็นแบบพาสซีฟสองตัวอย่างได้รับการทดสอบบนหลังคาของอาคาร 1

ของ MIT ทางด้านซ้าย เป็นตัวอย่างของระบบใหม่ ซึ่งรวมการทำความเย็นแบบระเหย การระบายความร้อนด้วยรังสี และฉนวนเข้าด้วยกัน ด้านขวาเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ระบบทำความเย็นแบบระเหยสำหรับการทดสอบเปรียบเทียบ เครดิต: ได้รับความอนุเคราะห์จาก Zhengmao Lu

อาศัยการระเหยและการแผ่รังสี แต่ไม่ใช่ไฟฟ้า ระบบทำความเย็นแบบพาสซีฟของ MITสามารถเก็บอาหารให้สดได้นานขึ้นหรือเสริมเครื่องปรับอากาศในอาคาร

UFA Slot

การใช้ระบบปรับอากาศที่ใช้พลังงานมากคาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อโลกร้อนขึ้น สร้างความตึงเครียดให้กับโครงข่ายไฟฟ้าที่มีอยู่ และหลีกเลี่ยงสถานที่หลายแห่งที่มีพลังงานไฟฟ้าที่เชื่อถือได้เพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย ปัจจุบัน ระบบนวัตกรรมที่พัฒนาขึ้นที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้เสนอวิธีการใช้ระบบทำความเย็นแบบพาสซีฟเพื่อรักษาพืชผลอาหารและเสริมเครื่องปรับอากาศทั่วไปในอาคาร ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานและต้องการน้ำเพียงเล็กน้อย

ระบบนี้ผสมผสานการระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสี การทำความเย็นแบบระเหย และฉนวนกันความร้อนในแพ็คเกจที่บางเฉียบซึ่งอาจคล้ายกับแผงโซลาร์เซลล์ที่มีอยู่ สามารถระบายความร้อนได้ถึง 19 องศาฟาเรนไฮต์ (9.3 องศาเซลเซียส ) จากอุณหภูมิแวดล้อม ซึ่งเพียงพอสำหรับการจัดเก็บอาหารอย่างปลอดภัยได้นานขึ้นประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ภายใต้สภาวะที่มีความชื้นสูง ภายใต้สภาวะของเครื่องอบผ้า อาจเพิ่มเวลาการจัดเก็บที่ปลอดภัยเป็นสามเท่า

ผลการวิจัยได้รับการรายงาน 20 รายการในวารสารCell Reports Physical Scienceเมื่อเดือนกันยายน ในบทความของ MIT postdoc Zhengmao Lu, Arny Leroy PhD ’21, อาจารย์ Jeffrey Grossman และ Evelyn Wang และคนอื่นๆ อีก 2 คน แม้ว่าจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อลดต้นทุนขององค์ประกอบหลักอย่างหนึ่งของระบบ นักพัฒนากล่าวว่าในที่สุด ระบบดังกล่าวอาจมีบทบาทสำคัญในการตอบสนองความต้องการระบายความร้อนของส่วนต่างๆ ของโลกที่ขาดไฟฟ้า หรือน้ำจำกัดการใช้ระบบทำความเย็นแบบเดิม

ด้วยการผสมผสานการออกแบบการระบายความร้อนแบบสแตนด์อโลนก่อนหน้านี้อย่างชาญฉลาดซึ่งแต่ละแบบให้พลังงานการระบายความร้อนในปริมาณที่จำกัด ระบบสามารถผลิตความเย็นโดยรวมได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ก็เพียงพอแล้วที่จะช่วยลดการสูญเสียอาหารจากการเน่าเสียในส่วนต่างๆ ของโลกที่กำลังทุกข์ทรมานจากเสบียงอาหารที่มีอยู่อย่างจำกัด ในการรับรู้ถึงศักยภาพดังกล่าว ทีมนักวิจัยได้รับการสนับสนุนบางส่วนจากห้องทดลองระบบน้ำและอาหารของอับดุล ลาติฟ จามีลของ MIT

“เทคโนโลยีนี้ผสมผสานคุณสมบัติที่ดีบางอย่างของเทคโนโลยีก่อนหน้านี้ เช่น การทำความเย็นแบบระเหยและการระบายความร้อนด้วยรังสี” Lu กล่าว ด้วยการใช้การผสมผสานนี้ เขากล่าวว่า “เราแสดงให้เห็นว่าคุณสามารถยืดอายุอาหารได้อย่างมีนัยสำคัญ แม้ในพื้นที่ที่คุณมีความชื้นสูง” ซึ่งจำกัดความสามารถของระบบทำความเย็นแบบระเหยหรือแบบแผ่รังสีทั่วไป

นอกจากนี้ยังเป็นประโยชน์ในสถานที่ที่มีระบบปรับอากาศในอาคาร ระบบใหม่นี้สามารถใช้เพื่อลดภาระในระบบเหล่านี้ได้อย่างมากโดยส่งน้ำเย็นไปยังคอนเดนเซอร์ส่วนที่ร้อนที่สุดของระบบ “ด้วยการลดอุณหภูมิคอนเดนเซอร์ คุณสามารถเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องปรับอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยวิธีนี้คุณจะสามารถประหยัดพลังงานได้” Lu กล่าว

แม้ว่าเขาจะกล่าวว่ากลุ่มอื่น ๆ ต่างก็ใฝ่หาเทคโนโลยีการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ “ด้วยการผสมผสานคุณสมบัติเหล่านี้เข้าด้วยกัน เราสามารถบรรลุประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่สูงได้ แม้แต่ในพื้นที่ที่มีความชื้นสูงซึ่งโดยทั่วไปแล้วเทคโนโลยีก่อนหน้านี้ไม่สามารถทำงานได้ดี”

วัสดุสามชั้นประกอบกันเป็นระบบ ซึ่งให้ความเย็นโดยรวมเมื่อน้ำและความร้อนไหลผ่านอุปกรณ์ ในทางปฏิบัติ อุปกรณ์ดังกล่าวอาจคล้ายกับแผงโซลาร์เซลล์ทั่วไป แต่แทนที่จะผลิตกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์จะระบายความร้อนโดยตรง ตัวอย่างเช่น สามารถทำหน้าที่เป็นหลังคาของภาชนะเก็บอาหาร ทำให้เนื้อหาเย็น การใช้งานที่ใช้งานได้จริงอีกวิธีหนึ่งคือใช้ส่งน้ำเย็นผ่านท่อเพื่อทำให้ชิ้นส่วนของระบบปรับอากาศเย็นลงและปรับปรุงประสิทธิภาพ การบำรุงรักษาน้อยที่สุด ทั้งหมดที่จำเป็นคือการเติมน้ำสำหรับการระเหย นอกจากนี้ ปริมาณการใช้น้ำยังต่ำมากจนต้องทำทุกๆสี่วันในบริเวณที่ร้อนที่สุดและแห้งแล้งที่สุด และเดือนละครั้งในพื้นที่เปียกเท่านั้น

Airgel ใช้สำหรับชั้นบนสุด วัสดุนี้ประกอบด้วยอากาศส่วนใหญ่ที่อยู่ในโพรงของโครงสร้างคล้ายฟองน้ำที่ทำจากโพลีเอทิลีน แม้ว่าจะเป็นฉนวนสูง แต่ก็ยอมให้ทั้งไอน้ำและรังสีอินฟราเรดผ่านได้อย่างอิสระ การระเหยของน้ำ (ที่ลอยขึ้นมาจากชั้นด้านล่าง) ให้พลังงานเย็นบางส่วน ในขณะที่การแผ่รังสีอินฟราเรดใช้ประโยชน์จากความโปร่งใสสุดขีดของชั้นบรรยากาศของโลกในช่วงความยาวคลื่นเหล่านั้น แผ่ความร้อนบางส่วนตรงขึ้นไปในอากาศและสู่อวกาศ — ไม่เหมือนกับเครื่องปรับอากาศที่ปล่อยลมร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมโดยรอบ

ไฮโดรเจลใช้สำหรับชั้นถัดไปใต้แอโรเจล เป็นวัสดุคล้ายฟองน้ำอีกชนิดหนึ่ง แต่มีช่องว่างที่เต็มไปด้วยน้ำมากกว่าอากาศ ซึ่งคล้ายกับวัสดุที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน เช่น แผ่นทำความเย็นหรือผ้าปิดแผล ซึ่งเป็นแหล่งน้ำสำหรับการทำความเย็นแบบระเหย เนื่องจากไอน้ำก่อตัวที่พื้นผิวและไอจะไหลผ่านชั้นแอโรเจลและออกสู่สิ่งแวดล้อม

ใต้ไฮโดรเจล มีชั้นคล้ายกระจกสะท้อนแสงอาทิตย์ที่เข้ามาที่มันส่งกลับผ่านอุปกรณ์แทนที่จะปล่อยให้ร้อนขึ้นวัสดุ และลดภาระความร้อนของพวกมัน และชั้นบนสุดของแอโรเจลซึ่งเป็นฉนวนที่ดี ยังสะท้อนแสงอาทิตย์ได้สูง ซึ่งจำกัดปริมาณความร้อนจากแสงอาทิตย์ของอุปกรณ์ แม้ภายใต้แสงแดดโดยตรงที่แรง

“ความแปลกใหม่ในที่นี้เป็นเพียงการนำคุณลักษณะการระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสี คุณลักษณะการทำความเย็นแบบระเหย และคุณลักษณะฉนวนกันความร้อนมารวมกันในสถาปัตยกรรมเดียว” Lu อธิบาย ระบบได้รับการทดสอบโดยใช้รุ่นขนาดเล็กเพียง 4 นิ้วบนหลังคาของอาคารที่ MIT ซึ่งพิสูจน์ให้เห็นถึงประสิทธิภาพแม้ในสภาพอากาศที่ไม่เอื้ออำนวย Lu กล่าวและบรรลุ 9.3 °C ของการระบายความร้อน (18.7 °F)

“ความท้าทายก่อนหน้านี้คือวัสดุระเหยมักไม่สามารถจัดการกับการดูดกลืนแสงอาทิตย์ได้ดี” Lu กล่าว “ด้วยวัสดุอื่นๆ เหล่านี้ โดยปกติเมื่อพวกมันอยู่ภายใต้แสงแดด พวกมันจะได้รับความร้อน ดังนั้นจึงไม่สามารถได้รับพลังงานความเย็นที่สูงที่อุณหภูมิแวดล้อมได้”

คุณสมบัติของวัสดุแอโรเจลเป็นกุญแจสู่ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ แต่วัสดุดังกล่าวในปัจจุบันมีราคาแพงในการผลิต เนื่องจากต้องใช้อุปกรณ์พิเศษสำหรับการทำให้แห้งแบบจุดวิกฤต (CPD) เพื่อขจัดตัวทำละลายออกจากโครงสร้างที่มีรูพรุนที่ละเอียดอ่อนอย่างช้าๆ โดยไม่ทำให้เสียหาย ลักษณะสำคัญที่ต้องควบคุมเพื่อให้ได้ลักษณะที่ต้องการคือ ขนาดของรูพรุนในแอโรเจล ซึ่งทำมาจากการผสมวัสดุโพลิเอธิลีนกับตัวทำละลาย ปล่อยให้เซ็ตตัวเหมือนชามของ Jell-O แล้วจึงได้ ตัวทำละลายออกจากมัน ทีมวิจัยกำลังสำรวจวิธีการทำให้กระบวนการทำแห้งนี้มีราคาถูกลง เช่น การใช้การทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง หรือการหาวัสดุทางเลือกที่สามารถให้ฟังก์ชันการเป็นฉนวนเดียวกันได้ในราคาที่ต่ำกว่า เช่น เยื่อที่คั่นด้วยช่องว่างอากาศ

แม้ว่าวัสดุอื่นๆ ที่ใช้ในระบบจะหาซื้อได้ง่ายและมีราคาไม่แพงนัก Lu กล่าวว่า “แอโรเจลเป็นวัสดุชนิดเดียวที่เป็นผลิตภัณฑ์จากห้องปฏิบัติการที่ต้องการการพัฒนาเพิ่มเติมในแง่ของการผลิตจำนวนมาก” และเขาบอกว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะคาดการณ์ว่าการพัฒนานั้นจะใช้เวลานานแค่ไหน ก่อนที่ระบบนี้จะนำไปใช้ได้จริงอย่างแพร่หลาย

งานนี้ “แสดงถึงแนวทางการรวมระบบที่น่าสนใจและแปลกใหม่ของเทคโนโลยีการทำความเย็นแบบพาสซีฟ” Xiulin Ruan ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลที่มหาวิทยาลัย Purdue ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับงานวิจัยนี้กล่าว Ruan กล่าวเสริมว่า “การผสมผสานการทำความเย็นแบบระเหย การระบายความร้อนด้วยรังสี และฉนวน ทำให้มีประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีขึ้นและสามารถมีประสิทธิภาพในสภาพอากาศที่หลากหลายกว่าการทำความเย็นแบบระเหยหรือการระบายความร้อนด้วยรังสีเพียงอย่างเดียว งานนี้สามารถดึงดูดการใช้งานจริงที่สำคัญ เช่น ในการถนอมอาหาร หากระบบสามารถทำได้ด้วยต้นทุนที่สมเหตุสมผล”

 

UFA Slot

Releated