Magazyny ciepła są dalekie do ideału, a ratunek przyszedł z mórz i oceanów
Chociaż koncepcja magazynów ciepła wydaje się dopracowana, to od lat zatrzymuje się na jednym zaskakująco przyziemnym problemie. Kiedy materiał odpowiedzialny za przechowywanie energii ulega stopieniu, zamienia się w zwykłą ciecz i zaczyna powoli wydostawać się z układu, powodując wycieki i obniżając sprawność całej instalacji. Ten właśnie problem rozwiązali właśnie specjaliści, stawiając na resztki po tym, co trafia z mórz prosto na nasze talerze.
Czytaj też: Silnik samolotowy zasili Twojego ChataGPT, bo AI zżera za dużo prądu. Czy to już nie przesada?
Gdzieś na drugim końcu gospodarki rośnie góra odpadów, o której na co dzień rzadko myślimy. Mowa o skorupkach po krewetkach i krabach z przetwórni owoców morza. Dla przemysłu spożywczego to kłopotliwy, bo wymagający utylizacji produkt uboczny, ale dla chemików i inżynierów materiałowych to kopalnia cennego polimeru, jakim jest chityna. Połączenie tych dwóch światów, czyli problemu magazynów ciepła i nadmiaru odpadów biologicznych, doprowadziło naukowców do rozwiązania, które łączy inżynierię materiałową z ideą gospodarki o obiegu zamkniętym.
Chityna z odpadów podstawą lepszych materiałów zmiennofazowych
Problem, z którym mierzyli się inżynierowie, dotyczył materiałów zmiennofazowych (PCM). Zasada ich działania jest genialnie prosta, bo pochłaniają duże ilości energii podczas topnienia, a oddają ją wtedy, gdy ponownie krzepną. W praktyce jednak, a więc wtedy, gdy taki materiał przechodzi w stan ciekły, ma on tendencję do wyciekania z instalacji, co psuje urządzenia i obniża wydajność całego systemu. Ta wada przez lata ograniczała szersze zastosowanie PCM w systemach grzewczych czy klimatyzacyjnych.
Odpowiedź przyszła z nieoczekiwanej strony. Zamiast szukać skomplikowanych syntetycznych rozwiązań, badacze spojrzeli na naturalny polimer, jakim jest chityna. Jest ona powszechna, odnawialna i co kluczowe, bogata w azot. Naukowcy z odpadów po skorupiakach stworzyli ultralekki aerożel, który następnie poddali procesowi karbonizacji w temperaturze 500°C. Efekt? Porowaty szkielet węglowy, przypominający mikroskopijną gąbkę, która okazała się wręcz przełomowa, bo jej sieć połączonych porów, o średnicy około 60 mikrometrów i dużej objętości pustych przestrzeni działa jak pułapka na popularny materiał zmiennofazowy, czyli kwas stearynowy. Gdy ten topi się w temperaturze około 55°C, to siły kapilarne w porach oraz wiązania wodorowe między powierzchnią węgla a cząsteczkami kwasu skutecznie go unieruchamiają. Kompozyt może pomieścić nawet 60% swojej wagi w postaci kwasu stearynowego bez śladu przecieku, zachowując stabilny kształt nawet po całkowitym stopieniu.
Czytaj też: Dorzucili do akumulatorowych ogniw kuliste cząsteczki węgla. Tak przekuli marzenie przekute na rzeczywistość
Wyniki laboratoryjne są obiecujące, choć oczywiście to dopiero etap badań. Nowy kompozyt pochłania o ponad 17,6% więcej energii na gram niż podobne materiały węglowe pochodzące z biomasy. Co równie ważne, lepiej przewodzi ciepło, a to przyspiesza cały proces ładowania i rozładowywania energii termicznej. Materiał przeszedł też test stu cykli topnienia i krzepnięcia, tracąc zaledwie około 3% początkowej pojemności, co sugeruje przyzwoitą, choć ciągle daleką do ideału trwałość.
Jak PCM ze skorupiaków może zmienić nasz świat?
Przechodząc do potencjalnych zastosowań, technologia ta mogłaby znaleźć miejsce w systemach zarządzania energią w budynkach, pomagając magazynować nadwyżki ciepła z paneli słonecznych do wykorzystania w nocy. Innym obszarem jest chłodzenie elektroniki, gdzie efektywne odprowadzanie i buforowanie ciepła staje się coraz większym wyzwaniem. Trzeba jednak pamiętać, że droga od obiecującego materiału w laboratorium do taniego i niezawodnego komponentu w masowej produkcji bywa długa i wyboista.
Czytaj też: Tradycyjne 48V legło w gruzach pod naporem AI. Przełom przyszedł z branży motoryzacyjnej
Największą zaletą tego pomysłu wydaje się jego filozofia, która łączy rozwiązanie problemu technicznego z gospodarką o obiegu zamkniętym. Przekształcenie kłopotliwych odpadów spożywczych w funkcjonalny materiał to kierunek wart uwagi. Powstała struktura porowata otwiera też drogę do pracy z innymi substancjami zmiennofazowymi. Perspektywa jest interesująca, bo stabilniejsze i wydajniejsze magazyny ciepła, które dodatkowo przyczyniają się do redukcji biologicznych odpadów, stanowią fenomenalne połączenie ekologii z inżynierią, które może w przyszłości przynieść konkretne korzyści dla ogółu ludzkości.