Прорыв в области криоохлаждения сокращает энергозатраты на 70%

Исследователи нашли удивительно простой способ создания криогенных охладителей, которые достигают почти абсолютного нуля в 3,5 раза быстрее или потребляют примерно на 71% меньше энергии, чем нынешние устройства. Это важная новость для всего, что требует очень низких температур.

Криогенное охлаждение имеет большое количество практических применений. Его используют для сохранения тканей, яйцеклеток и даже эмбрионов. Оно делает возможными компьютерные сканеры, а также ускорители частиц в ЦЕРН и некоторые системы на магнитной подвеске. Оно имеет сотни инженерных применений, обеспечивает космическому телескопу Джеймс Уэбб его замечательную способность исследовать глубины космоса и может однажды стать ключом к тому, чтобы сделать реальностью термоядерную энергию или квантовые компьютеры.

При сверхнизких температурах начинает проявляться странная физика. Например, сверхпроводимость позволяет электрическому току проходить через определенные материалы с нулевым сопротивлением. Сверхтекучесть позволяет некоторым жидкостям, таким как гелий, течь без какой-либо вязкости, и в этот момент они, кажется, начинают игнорировать обычные правила и подниматься вверх и через стенки контейнеров.

Приближаясь к абсолютному нулю, квантовые явления могут замедлиться до такой степени, что мы сможем фактически использовать их, и начать получать конденсаты Бозе-Эйнштейна, в которых группы атомов перестают вести себя как отдельные частицы, группируются вместе и синхронизируются в одно и то же квантовое состояние, чтобы начать действовать как «суператомы».

Но одна проблема с работой вблизи абсолютного нуля заключается в том, что достигнуть его сложно (и дорого) и отнимает много времени. На протяжении более 40 лет охладитель на пульсирующих трубках (Pulse Tube Refrigerator, PTR) был популярной технологией для достижения температуры 4 ºK (-269 ºC), что всего на четыре градуса выше абсолютного нуля. Это удивительно простая машина, которая работает по тому же принципу, что и обычный холодильник на кухне.

В PTR используется сжатый газ, который при расширении отводит тепло. Однако вместо фреона или изобутана PTR работает с гелием, что позволяет охлаждать объекты до теоретических пределов физики. Это работает, но для достижения желаемой температуры требуется до нескольких дней и много энергии.

Исследователи NIST изучали, как работает PTR, пытаясь выяснить, как сделать его более эффективным. Они обнаружили, что требовалось на удивление простое решение.

Ученые увидели, что PTR очень хорошо работает при температурах, близких к абсолютному нулю, но при комнатной температуре, когда должно начаться охлаждение, с точки зрения эффективности его работа была настоящим провалом.

Они увидели, что при более высоких температурах газообразный гелий находится под таким высоким давлением, что его постоянно загоняют в предохранительный клапан вместо того, чтобы охлаждать. Поменяв местами механические соединения между компрессором и холодильником, а затем отрегулировав клапаны таким образом, чтобы они были широко открыты в начале процесса, и постепенно закрывая их по мере охлаждения, можно было добиться гораздо более высокого уровня эффективности и ускорить охлаждение наполовину или на четверть – и все это без каких-либо дополнительных усилий и потери гелия.

По мнению ученых, если бы прототип нового холодильника можно было вывести на рынок для замены существующего оборудования, это позволило бы ежегодно экономить 27 миллионов ватт электроэнергии, и существенно изменить соотношение затрат и выгод для ряда ультра-холодных технологий.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.