Исследователи нашли удивительно простой способ создания криогенных охладителей, которые достигают почти абсолютного нуля в 3,5 раза быстрее или потребляют примерно на 71% меньше энергии, чем нынешние устройства. Это отличная новость для всего, что требует очень низких температур.
Криогенное охлаждение имеет удивительное количество практических применений. Его используют для сохранения тканей, яйцеклеток, спермы и даже эмбрионов. Это делает возможными компьютерные сканеры, а также массивные ускорители частиц ЦЕРН и некоторые системы на магнитной подвеске. Он имеет сотни инженерных применений, обеспечивает космическому телескопу Джеймса Уэбба замечательную способность исследовать глубины космоса и однажды может стать ключом к тому, чтобы сделать реальностью термоядерную энергию или квантовые компьютеры.
При сверхнизких температурах начинает проявляться какая-то странная физика. Например, сверхпроводимость позволяет электрическому току проходить через определенные материалы с нулевым сопротивлением. Сверхтекучесть позволяет некоторым жидкостям, таким как гелий, течь без какой-либо вязкости, и в этот момент они, кажется, начинают игнорировать обычные правила и подниматься вверх и через стенки контейнеров.
Приближаясь к абсолютному нулю, квантовые явления могут замедлиться до такой степени, что мы сможем фактически использовать их, и вы можете начать получать конденсаты Бозе-Эйнштейна, в которых группы атомов перестают вести себя как отдельные личности, слипаются вместе. и синхронизироваться в одно и то же квантовое состояние, чтобы начать действовать как «суператомы».
Но одна из проблем работы вблизи абсолютного нуля заключается в том, что это дорого и требует много времени. Более 40 лет холодильник с импульсной трубкой (PTR) является технологией, позволяющей достигать температур 4 ºK (-452 ºF, -269 ºC), или на четыре градуса выше абсолютного нуля. Это удивительно простая машина, которая работает по тому же принципу, что и холодильник на вашей кухне.
Холодильник с импульсной трубкой NIST
В PTR используется сжатый газ, который при расширении отводит тепло. Однако вместо фреона или изобутана PTR работает с гелием, что позволяет охлаждать вещи до теоретических пределов физики. Это работает, но для достижения желаемой прохлады требуется до нескольких дней и много энергии.
Исследователь NIST (Национальный институт стандартов и технологий) Райан Снодграсс и его команда изучали, как работает PTR, пытаясь выяснить, как сделать его более эффективным. Они обнаружили, что требовалось на удивление простое решение. Команда увидела, что PTR очень хорошо работает при температурах, близких к абсолютному нулю, но при комнатной температуре, когда должно начинаться охлаждение, с точки зрения эффективности это был провал.
Как оптимизирован новый PTRNIST Они увидели, что при более высоких температурах газообразный гелий находился под таким высоким давлением, что вместо охлаждения его продолжали перекачивать в предохранительный клапан. Поменяв местами механические соединения между компрессором и холодильником, а затем отрегулировав клапаны так, чтобы они были широко открыты в начале процесса, и постепенно закрывая их по мере охлаждения, они могли достичь гораздо более высокого уровня эффективности и быстрее охлаждать продукты. на половину-четверть – и все это без потери ценного гелия.
По мнению команды, если бы прототип нового холодильника можно было вывести на рынок для замены существующего оборудования, это позволило бы сэкономить 27 миллионов ватт в год. энергии, 30 миллионов долларов США на глобальную электроэнергию и достаточно охлаждающей воды, чтобы заполнить 5000 олимпийских бассейнов. Это может существенно изменить соотношение затрат и выгод для целого ряда ультрахолодных технологий.
Это также может привести к появлению некоторых скудных пинья-колад.
Исследование было опубликовано в Природные коммуникации.
