فهرست مطالب
دانشمندان چینی از پمپ حرارتی فوق‌داغ و جدیدی رونمایی کرده‌اند که هیچ قطعه متحرکی ندارد.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، این دستاورد می‌تواند راه را برای استفاده از نور خورشید یا گرمای اتلافی صنایع در تامین انرژی برخی از پرمصرف‌ترین بخش‌های صنعتی جهان هموار کند. این فناوری توسط پژوهشگران آکادمی علوم چین (CAS) و به سرپرستی «لوئو ارچانگ»، فیزیکدان و مدیر موسسه فنی فیزیک و شیمی ساخته شده است.
این سامانه با تکیه بر یک پمپ حرارتی استرلینگ ترموآکوستیک جدید، امکان ارتقای گرمای کم‌درجه به دماهایی به‌مراتب بالاتر از توان پمپ‌های حرارتی متداول را فراهم می‌کند. نتایج آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهد که نمونه اولیه این فناوری توانسته است دمای خروجی ۵۱۸ درجه فارنهایت (۲۷۰ درجه سانتی‌گراد) را تولید کند؛ در حالی که چرخه عملکرد آن تنها با یک منبع گرمایی ۲۹۳ درجه فارنهایت (۱۴۵ درجه سانتی‌گراد) فعال شده است. این دستاورد از سقف عملی دیرپای حدود ۳۹۲ درجه فارنهایت (۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) عبور کرده است، که برای دهه‌ها توسعه پمپ‌های حرارتی صنعتی را محدود کرده بود.
حتما بخوانید: چرا رسیدن به دمای صفر مطلق غیرممکن است؟
بازتعریف صنایع با پمپ حرارتی جدید چین
این فناوری مرزهای گرمایش صنعتی را بازتعریف می‌کند. برخلاف سامانه‌های متداول مبتنی بر تراکم بخار، پمپ حرارتی جدید فاقد هرگونه قطعه مکانیکی متحرک است و به‌جای آن از پدیده ترموآکوستیک (تعامل میان امواج صوتی و انرژی حرارتی) برای جابه‌جایی گرما بهره می‌برد. در این سازوکار، گرما به امواج صوتی ایستاده و بسیار پرقدرت تبدیل می‌شود؛ امواجی که انرژی را از یک منبع کم‌دما به یک مخزن با دمای بالاتر پمپاژ می‌کنند. این سامانه برای استفاده از منابع گرمایی ساده مانند پنل‌های خورشیدی حرارتی، گرمای راکتورهای هسته‌ای یا جریان‌های خروجی صنایع طراحی شده است و می‌تواند انرژی حرارتی هدررفته را به گرمای سطح بالا ارتقا دهد.
چنین خروجی برای فرایندهای صنعتی در حوزه‌هایی مانند: سرامیک، پتروشیمی و متالورژی مناسب است و می‌تواند در بخش‌هایی که کربن‌زدایی در آنها دشوار است، وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد. گرمایش صنعتی حدود ۴۰ درصد از کل مصرف انرژی حرارتی چین را به خود اختصاص می‌دهد و به گفته آژانس بین‌المللی انرژی، انتخاب‌های فناورانه این کشور نقش تعیین‌کننده‌ای در مسیر کربن‌زدایی جهانی خواهد داشت.
بیشتر بخوانید: این ماده انرژی خورشیدی را متحول می کند!
برای مطالعه بیشتر: فناوری الهام‌گرفته از مارها، دید حرارتی 4K را به دوربین می‌آورد
در عین حال، چین به‌تنهایی بین ۱۰ تا ۲۷ درصد از کل انرژی خود را به صورت گرمای اتلافی از دست می‌دهد. بازیابی و ارتقای حتی بخشی از این انرژی می‌تواند به‌طور چشمگیری بهره‌وری صنعتی را افزایش و انتشار کربن را کاهش دهد. در شرایط کنونی، پمپ‌های حرارتی جذبی پیشرفته دمایی در حدود ۲۱۲ درجه فارنهایت (۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) تولید می‌کنند و مبدل‌های حرارتی جذبی به‌سختی از مرز ۳۹۲ درجه فارنهایت (۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) فراتر می‌روند. این در حالی است که صنایعی مانند: کاغذسازی، رنگرزی و داروسازی به گرمایی در بازه ۲۱۲ تا ۳۹۲ درجه فارنهایت نیاز دارند و صنایعی مانند: سرامیک، متالورژی و پتروشیمی به دماهایی از ۳۹۲ تا بیش از ۱۸۳۲ درجه فارنهایت (۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) محتاج هستند. پژوهشگران چینی برای رفع این محدودیت، یک پمپ حرارتی ترموآکوستیک توسعه داده‌اند، که به گفته آنها می‌تواند شکاف دمایی موجود در گرمایش صنعتی را پر کند.
جا‌به‌جا کردن مرزهای ترمودینامیک
لوئو و همکاران او بر این باور هستند که با پیشرفت فناوری مواد و بهینه‌سازی طراحی سامانه‌ها، پمپ‌های حرارتی می‌توانند تا سال ۲۰۴۰ گرمای صنعتی بدون کربن با دمایی تا ۲۳۷۲ درجه فارنهایت (۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) تولید کنند؛ سطحی از حرارت که تاکنون دست‌نیافتنی به نظر می‌رسید. لوئو در بیانیه‌ای خبری تاکید کرده است: «توسعه پمپ حرارتی صنعتی فوق‌داغ که بتواند انرژی را با بهره‌وری بالا مصرف کند، یکی از مسیرهای کلیدی برای تحقق اهداف دوگانه کربن چین خواهد بود.» به گفته پژوهشگران آکادمی علوم چین، در چنین دماهایی می‌توان از گرمای خورشیدی یا هسته‌ای برای پشتیبانی از فرایندهایی مانند پالایش فلزات یا تولید مواد شیمیایی استفاده کرد؛ فرایندهایی که در حال حاضر به شدت به سوخت‌های فسیلی متکی هستند.
اگرچه استقرار گسترده این فناوری در مقیاس صنعتی در آینده نزدیک پیش‌بینی نمی‌شود، اما پژوهشگران معتقد هستند که این راهکار در نهایت می‌تواند به کارخانه‌ها امکان دهد گرمای اتلافی خود را بازیافت کنند یا از نور خورشید برای تامین انرژی برخی از دشوارترین فرایندهای صنعتی از منظر کربن‌زدایی بهره ببرند.
نتایج این پژوهش در نشریه‌های معتبر Nature Energy و Applied Physics Letters منتشر شده است.
