Прорыв в криоохлаждении сокращает энергозатраты на 71%
Исследователи нашли удивительно простой способ создания криогенных охладителей, которые достигают почти абсолютного нуля в 3,5 раза быстрее или потребляют на 71% меньше энергии, чем нынешние устройства. Об этом сообщает New Atlas.
Криогенное охлаждение имеет удивительно широкий спектр практических применений. Оно используется для сохранения тканей, яйцеклеток, сперматозоидов и даже эмбрионов. Этот процесс позволяет работать массивным ускорителям частиц ЦЕРН и некоторым системам магнитной левитации. Без него космический телескоп Джеймса Уэбба не смог бы исследовать глубины космоса. Еще криогенное охлаждение однажды может стать ключом к созданию термоядерной энергии или квантовых компьютеров.
При сверхнизких температурах начинают проявляться странные физические явления. Например, из-за сверхпроводимости электрический ток проходит через материалы с нулевым сопротивлением. Сверхтекучесть позволяет некоторым жидкостям, таким как гелий, течь без вязкости. В этот момент они, кажется, начинают игнорировать законы физики, подниматься и перетекать через края контейнеров.
При приближении к абсолютному нулю квантовые явления могут замедляться до такой степени, что ими можно воспользоваться. В таких условиях образуются конденсаты Бозе-Эйнштейна, в которых группы атомов перестают вести себя как отдельные единицы, слипаются и синхронизируются в одном и том же квантовом состоянии, становясь своего рода «суператомами».
Однако есть одна проблема с работой вблизи абсолютного нуля — достичь таких температур дорого и долго. В течение 40 лет основным методом достижения температуры −269 ºC, что составляет четыре градуса выше абсолютного нуля, является охладитель с пульсирующей трубкой (PTR). Эта машина основана на том же принципе, что и холодильник на кухне.
PTR работает на основе сжатия газа, который при расширении отводит тепло. Однако, в отличие от фреона или изобутана, PTR использует гелий, что позволяет охлаждать объекты до теоретических пределов физики. Он работает эффективно, но достижение желаемой температуры охлаждения занимает до нескольких дней и требует большого количества энергии.
Как выяснили ученые из Национального института стандартов и технологий, хотя PTR отлично работает при температурах близких к абсолютному нулю, при комнатной температуре, с которой начинается охлаждение, его эффективность значительно снижается.
При высоких температурах гелий находится под таким высоким давлением, что постоянно сбрасывается через предохранительный клапан, не обеспечивая должного охлаждения. Решением стало изменение механических соединений между компрессором и холодильником, а также регулировка клапанов. В начале процесса клапаны были полностью открыты, а затем постепенно закрывались по мере охлаждения. Такой подход позволил значительно повысить эффективность и скорость охлаждения в 2–4 раза — и все это без потери ценного гелия.
По мнению команды, если прототип нового охладителя вывести на рынок для замены существующего оборудования, это позволит ежегодно экономить 27 млн ватт электроэнергии, $30 млн мировой электроэнергии и достаточно охлаждающей воды, чтобы заполнить 5000 олимпийских плавательных бассейнов. Это может изменить соотношение затрат и выгод для ряда ультрахолодных технологий.
Ранее специалисты из Университета Амстердама и Стэнфордского университета создали самую тонкую линзу в истории. Ее толщина — всего три атома или 0,0000006 мм.
