Снеха Сачар, которая провела половину своей жизни в Дели, а теперь живет в Калифорнии, привыкла к теплу. Но в ее родном городе сейчас намного жарче, чем когда она росла.
Даже ездить на машине в определенные месяцы очень неудобно, говорит Сачар, которая работает в Clean Cooling Collaborative, благотворительной инициативе, направленной на улучшение охлаждения.
Повышение температуры еще хуже для работающих на открытом воздухе. «Это действительно влияет на способность людей продолжать зарабатывать себе на жизнь», — говорит Сачар.
Она говорит, что существует ряд низкотехнологичных способов поддерживать прохладу в зданиях, например, проектирование для циркуляции воздуха.
Для работающих на открытом воздухе даже 20-минутный перерыв от жары и влажности, например, в хорошо спроектированных охлаждающих станциях, может иметь значение.
Но помимо этого активное охлаждение будет становиться все более важным, поскольку температура продолжает расти из-за изменения климата.
Morgan Stanley прогнозирует, что ежегодные темпы роста рынка охлаждения, уже оцениваемые в 235 млрд долларов (180 млрд фунтов) в год, могут более чем удвоиться к 2030 году.
Однако существующие охлаждающие устройства имеют серьезные недостатки. Одна из проблем — хладагент — жидкость, которая переходит из жидкого состояния в газообразное в процессе передачи тепла.
Они часто утекают из стандартных систем, что вредит как эффективности, так и потенциально здоровью.
Сегодня в качестве хладагентов, обычно используемых в охлаждении, используются гидрофторуглероды (ГФУ), группа синтетических газов с высоким потенциалом глобального потепления. ГФУ гораздо более эффективны, чем углекислый газ.
Поэтому одним из вариантов является замена хладагентов на более безопасные для климата версии. Но у кандидатов с более низким потенциалом глобального потепления также есть проблемы.
Например, пропан легко воспламеняется. Аммиак токсичен. Углекислый газ работает при высоком давлении, требуя специального оборудования.
Но поскольку во многих местах постепенно отказываются от ГФУ, альтернативные хладагенты останутся важными.
Сахар говорит, что нам по-прежнему нужны хладагенты, потому что для домашнего охлаждения «кондиционеры, какими мы их знаем сегодня, по-прежнему будут решением, по крайней мере, в течение следующего десятилетия или около того».
В долгосрочной перспективе некоторые ученые ищут охлаждающие устройства, которым вообще не нужны жидкие хладагенты.
Линдси Расмуссен, которая управляет проектами по строительству и землепользованию в энергетической некоммерческой организации RMI, называет их «революционными технологиями».
Основной набор революционных технологий охлаждения — это твердотельное охлаждение. В этом случае используются твердые материалы и некая дополнительная сила для изменения температуры. Этой дополнительной силой может быть давление, напряжение, магниты или механическое напряжение.
Расмуссен говорит, что твердотельные устройства могут пойти дальше постепенных улучшений, потому что «они не только устраняют эти сверхзагрязняющие хладагенты, но и могут предложить улучшенную эффективность систем».
RMI выявила от 10 до 20 стартапов, работающих над ранними версиями твердотельных охлаждающих устройств.
Одним из таких стартапов является немецкая компания Magnotherm, которая использует магниты. Определенные материалы меняют температуру под воздействием магнитных полей.
«С нашей технологией она изначально безопасна, потому что она нетоксична, это металл, и мы работаем при очень низких давлениях», — говорит Тимур Сирман, генеральный директор и соучредитель Magnotherm.
Идея магнитокалорического охлаждения существует уже много лет, но ее коммерциализация относительно нова. Magnotherm построила около 40 охладителей напитков и около пяти холодильников, что пока является ручным и внутренним процессом.
Постоянные магниты являются самой дорогой частью технологии, сообщает Сирман. «Но они никогда не ломаются, поэтому мы всегда можем повторно использовать этот довольно затратный компонент».
Компания ищет альтернативные источники магнитных полей, а также оптимизирует материалы, поскольку они стремятся значительно увеличить охлаждающую способность своих устройств.
Сирман считает, что если учесть эффективность и проблемы со здоровьем хладагентов, такие как утечки, продукция Magnotherm может конкурировать по цене. «Мы не ориентируемся на клиентов, которые смотрят только на первоначальную стоимость».
Он признает, что на данный момент охладители напитков компании довольно дороги. Их клиенты, как правило, являются ранними последователями новых технологий.
Еще одна разрабатываемая технология — термоэлектрическое охлаждение.
Она подразумевает перемещение тепла между двумя сторонами устройства. При подаче электроэнергии тепло передается в направлении тока.
Известный термоэлектрический стартап — Phononic, базирующийся в США и имеющий дополнительное производственное предприятие в Таиланде.
В настоящее время используются миллионы охлаждающих устройств Phononic, в том числе в центрах обработки данных, супермаркетах и других зданиях.
Их охлаждающие устройства построены по тому же принципу, что и компьютерные чипы, с использованием полупроводниковых материалов для передачи тепла.
«Наши чипы очень тонкие, очень маленькие, но они очень холодные. Они потребляют небольшое количество электроэнергии для создания этого холода, но они чертовски мощны», — говорит Тони Атти, генеральный директор Phononic.
Он говорит, что для оптимальной работы традиционные холодильники должны работать все время.
Но термоэлектрические устройства можно легко выключать. Это помогает снизить затраты, потребление энергии и требования к пространству.
«Нам нравится предоставлять прохладу по требованию там, где она вам нужна», — говорит Атти.
Еще одно преимущество заключается в том, что термоэлектрическое охлаждение может работать бесшумно. «Это потому, что нет никаких движущихся частей», — объясняет Расмуссен. «Тепло возникает из-за реакции на уровне материалов».
Напротив, стандартная система компрессии пара содержит насосы, конденсаторы и расширители для хладагента, которые все создают большую часть шума.
Другой тип твердотельного охлаждения — эластокалорическое охлаждение. Оно достигает изменения температуры посредством механического напряжения эластокалорических материалов, которые могут охлаждаться или нагреваться при приложении напряжения.
Исследователи из четырех европейских стран сотрудничают над SMACool, эластокалорическим кондиционером, который использует металлические трубки, изготовленные из определенных металлических сплавов.
В настоящее время эластокалорические прототипы имеют гораздо меньшую охлаждающую способность, чем коммерческие кондиционеры. И максимально возможная эффективность SMACool все еще ниже, чем у обычного кондиционирования воздуха, хотя цель состоит в том, чтобы превзойти энергоэффективность A/C.
Однако прогресс продолжается. Группа исследователей из Гонконга недавно создала альтернативный кондиционер, который достиг мощности охлаждения 1284 Вт — впервые эластокалорическое устройство превзошло отметку в 1000 Вт. Одним из нововведений стало использование графеновой наножидкости вместо дистиллированной воды для передачи тепла.
В целом, говорит Расмуссен, твердотельные устройства, как правило, пока не столь мощны, как обычные парокомпрессионные кондиционеры. Но она ожидает улучшения производительности с течением времени.
Она также ожидает улучшения доступности. До сих пор твердотельное охлаждение в основном применялось в богатых странах.
Ключевой вопрос, говорит Расмуссен, заключается в следующем: «Могут ли эти технологии масштабироваться до уровня, когда они станут доступными для тех, кто в них больше всего нуждается, и где наблюдается наибольший спрос на охлаждение?»