Замена мощных и энергозатратных чиллеров, которые охлаждают центры обработки данных, промышленные объекты, больницы, музеи и офисы другие учреждения, на более энергоэффективные системы невозможна без использования новых материалов. В настоящее время ученые рассматривают возможность замены силикагеля, используемого в современных чиллерах для фильтрации из жидкого хладагента следов воды и продуктов износа компрессора, на принципиально новые материалы. Речь о наноматериалах из молекулярных сеток или металлоорганических структур.
Подобные упорядоченные на наноуровне структуры могут накапливать больше материала, что делает системы охлаждения еще более эффективными. Однако до настоящего момента точное количество хладагента, которое способны удержать молекулярные сетки, оставалось неизвестным, равно как и природа возникающих в данном случае взаимодействий. Команде специалистов из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США (Pacific Northwest National Laboratory; PNNL) и Амстердамского университета (Нидерланды) впервые удалось определить, как эти перспективные структуры взаимодействуют с фторуглеродными хладагентами. Возможно, наработки ученых вскоре позволят добиться значительного улучшения КПД чиллеров.
“Мы провели фундаментальные научные исследования и представили вниманию академического сообщества ряд интересных фактов относительно взаимодействий между MOF (Metal Organic Framework или Металлоорганическая каркасная структура) и другими веществами. Теперь у нас есть базовое понимание относительно адсорбционной способности MOF, что значительно упрощает сравнивать их с другими материалами “, сказал специалист PNNL в области материаловедения, доктор Прэвин Таллапалли, который работал в связанных с MOF проектах на протяжении десятилетий.
Поддержание оптимального температурного режима внутри огромных зданий ЦОД, промышленных или коммерческих объектов в течение долгого жаркого лета требует расхода большого количества электроэнергии. При выработке этой электроэнергии с использованием генерирующих мощностей на углеводородном топливе, коих в настоящее время подавляющее большинство, создается углекислый газ и другие загрязняющие вещества, которые при попадании в атмосферу могут нанести вред здоровью человека и окружающей среде. Если бы используемые нами системы охлаждения промышленного класса были бы более энергоэффективными (использовали меньше электроэнергии при выполнении того же объема работы), то в атмосферу попадало бы меньше загрязняющих веществ ввиду снижения объема используемого на ТЭС топлива.
“Появление более эффективных методов охлаждения дает нам прекрасную возможность снижения потребления энергии в зданиях при одновременном сокращении выбросов парниковых газов. Благодаря организации ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy или Агентство передовых исследований в области энергетики), функционирующей в составе Минэнерго США, мы можем предельно оперативно внедрять лабораторные разработки в мейнстримные системы кондиционирования воздуха для коммерческих и промышленных зданий. Новые технологии могут попасть на рынок в течение всего нескольких лет. Мы надеемся, что наши открытия в области молекулярных сеток не станут исключением. При этом наша команда не собирается ограничиваться стационарными системами охлаждения на основе чиллеров: мы рассматриваем возможности применения этих наработок в совершенно новых сферах вроде систем охлаждения для легковых и грузовых автомобилей, позволяющих добиться снижения расхода топлива ,” сказал сотрудник лаборатории PNNL, доктор Пит Макгрейл, который также является участником рассматриваемого научно-исследовательского проекта.
Исследовательская группа начала с изучения двух разных MOF-систем, чтобы понять, как именно внутренняя структура влияет на способность материала адсорбировать различные молекулы хладагента. Молекулярная сетка на основе никеля была выбрана за наличие однородных пор, участков с высокоактивным сорбентом и внутренних каналов. Эта MOF-система также известна как MDOBDC (где М означает никель и кобальт, тогда как DOBDC означает 2.5-диоксидо-1.4-бензолдикарбоксилат). Еще одна молекулярная сетка MIL-101 была выбрана за наличие пор с иерархической структурой (эта сетка имеет малые и крупные поры, соединенные в соответствии с определенной структурой).
В качестве опытных хладагентов европейско-американская команда исследователей выбрала фторуглеродные соединения (простые молекулы, состоящие из фтора, хлора, углерода и атомов водорода). Они исследовали шесть молекул с различным числом атомов хлора и фтора, начиная с метана, который содержит только углерод и водород, и заканчивая хладагентом R12, который имеет два атома хлора и два атома фтора, окружающие один атом углерода.
Используя механизм ядерного магнитного резонанса (ЯМР) фтора-19 (19F), а также компьютерное моделирование, они изучили, как твердые молекулярные сетки и газообразные хладагенты взаимодействуют между сбой. Выяснилось, что MOF на основе никеля имеет потенциал для использования в составе датчиков или других устройств, которым необходим материал для эффективного отделения одного фторуглерода от другого. Исследователи определили, что молекулярная сетка на основе никеля быстро абсорбирует R12.
С другой стороны сетка MIL-101 с ее иерархической структурой пор медленнее взаимодействовала с хладагентами, но ученые обнаружили гораздо больше возможностей для ее применения, поскольку данная молекулярная сетка имеет большую удельную площадь поверхности (удельная поверхность), чем MOF на основе никеля.
“В отличие от других газов, исследования адсорбции фторуглеродных хладагентов проводить довольно трудно, потому что при комнатной температуре они принимают форму жидкости. Но при проектировании и постоянной модификации сорбционной системы нам удалось провести эти исследования “, сказал специалист PNNL в области материаловедения, доктор Радха Кишан Моткари. Этот ученый работал в области изучения пористых материалов в течение последних 15 лет.
При изучении MIL-101 ученые пришли к выводу, что этот материал все более и более охотно впитывает молекулы хладагента при росте температуры кипения фторуглеродов. Это означает, что в случае R12 взаимодействие будет более активно, чем в случае простого метана, потому что R12 имеет более высокую температуру кипения.
Исследователи также обнаружили, что MIL-101 по-разному ориентирует чужие молекулы в своих порах при взаимодействии с различными хладагентами. К примеру, в случае R12, который, по сути, имеет атомы хлора с одной стороны и молекулы фтора – с другой, молекулярная сетка направляет хладагента в сторону фтора.
“Никто никогда не проводил подобное исследование до настоящего момента. Мы взяли на себя обязательство по объединению всех данные вместе и приданию им простой для понимания формы, чтобы результаты исследования оказались доступны для обычных людей “, сказал Таллапалли.
Команда продолжает изучать взаимодействия между различными MOF-структурами и фторированными углеводородами, чтобы выявить лучшую пару для использования в чиллерах, а также подготовить системы охлаждения на базе новых конструкций, которые будут оптимизированы с учетом особенности новых материалов.
