Фізики знайшли напрочуд простий спосіб створити кріогенні охолоджувачі, які досягають температури, близької до абсолютного нуля, в 3,5 раза швидше і використовують на 71% менше енергії, ніж сучасні пристрої. Це чудова новина для всього, що потребує дуже низьких температур.
Кріогенне охолодження має дивовижну кількість практичних застосувань. Його використовують для збереження тканин, яйцеклітин, сперми і навіть ембріонів. Воно уможливлює роботу комп’ютерних томографів, а також потужних прискорювачів елементарних частинок ЦЕРНу та деяких систем магнітної гравітації. Воно має сотні інженерних застосувань, забезпечує космічному телескопу Джеймса Вебба чудову здатність досліджувати глибини космосу і може одного дня стати ключем до втілення термоядерної енергетики чи квантових комп’ютерів у реальність.
За наднизьких температур починають діяти дивні фізичні закони. Надпровідність, наприклад, дозволяє електричному струму проходити через певні матеріали з нульовим опором. Надтекучість дозволяє певним рідинам, таким як гелій, текти без будь-якої в’язкості, і в цей момент здається, що вони починають ігнорувати звичайні правила і лізти вгору і перелазити через стінки контейнерів.
Наближаючись до абсолютного нуля, квантові явища можуть сповільнитися до такої міри, що ми зможемо їх використати, і ви почнете отримувати конденсати Бозе-Ейнштейна, в яких групи атомів перестають діяти як окремі об’єкти, збираються разом і синхронізуються в одному квантовому стані, щоб почати діяти як “суператоми”.
Але одна з проблем роботи в околицях абсолютного нуля полягає в тому, що дістатися туди дорого і довго. Вже понад 40 років імпульсний трубчастий холодильник (Pulse Tube Refrigerator (PTR)) є основною технологією для досягнення температури 4 ºK (-452 ºF, -269 ºC), або на чотири градуси вище абсолютного нуля. Це напрочуд простий пристрій, який працює за тим самим принципом, що й холодильник на вашій кухні.
PTR використовує газ, який стискається, а коли він розширюється, то відбирає тепло. Однак замість фреону або ізобутану PTR працює з гелієм, що дозволяє йому охолоджувати речі до теоретичних меж фізики. Це працює, але для досягнення бажаної прохолоди потрібно до кількох днів і багато енергії.
Дослідник NIST (Національний інститут стандартів і технологій) Райан Снодграсс і його команда вивчили, як працює PTR, щоб з’ясувати, як зробити його ефективнішим. Вони виявили, що для цього потрібно було напрочуд просте рішення. Команда побачила, що PTR дуже добре працює при температурах, близьких до абсолютного нуля, але при кімнатній температурі, де має починатися охолодження, він був чимось на кшталт провалу з погляду ефективності.
Вони побачили, що за вищих температур газоподібний гелій перебував під таким високим тиском, що замість охолодження його продовжували перекачувати в запобіжний клапан. Помінявши місцями механічні з’єднання між компресором і холодильником, а потім відрегулювавши клапани так, щоб вони були широко відкриті на початку процесу і поступово закривалися в міру охолодження, вони змогли досягти набагато вищого рівня ефективності і охолодити речі швидше на половину або чверть – і все це без марнування цінного гелію.
За словами команди, якби прототип нового холодильника можна було б вивести на ринок для заміни існуючого обладнання, це дозволило б щорічно економити 27 млн ват електроенергії, $30 млн в глобальному масштабі, а також достатньо охолоджувальної води, щоб заповнити 5 000 олімпійських басейнів. Це могло б суттєво змінити співвідношення витрат і вигод для цілої низки наднизьких технологій.
Читайте також: