Bir kış fırtınasından önce yola tuz dökülmesi, buzlanmanın gerçekleşeceği zamanı değiştiriyor. Şimdiyse ABD Enerji Bakanlığının Ulusal Lawrence Berkeley Laboratuvarında (Berkeley Lab) çalışan araştırmacılar, bu temel kavramı yeni bir ısıtma ve soğutma yöntemi geliştirmek için uygulamışlar. “İyonokalorik soğutma” şeklinde adlandırdıkları yöntem, iki hafta önce Science bülteninde yayımlanan bir makalede tarif ediliyor.
İyonokalorik soğutmada, bir madde hal değiştirdiği zaman (katı buzdan sıvı suya geçme gibi) enerji ya da ısının saklanma veya yayılma şeklinden faydalanılıyor. Bir madde eritilince, maddenin etrafındaki ısı emiliyor ve madde katılaştırılınca ısı yayılıyor. Bu iyonokalorik döngü, söz konusu hal ve sıcaklık değişiminin tuzdan gelen iyon (elektrik yüklü atom veya moleküller) akışı yoluyla değişmesine sebep oluyor.
Araştırmacılar bu yöntemin, günün birinde etkili bir ısıtma ve soğutma sağlayarak günümüzde kullanılan “buhar sıkıştırma” sistemlerinin yerini almasını ümit ediyor. Evlerde kullanılan enerjinin yarısından fazlası ısıtma ve soğutmaya giderken, buhar sıkıştırma sistemlerinde soğutucu olarak yüksek küresel ısınma potansiyeli barındıran gazlar kullanılıyor. İyonokalorik soğutmayla bu gibi gazlar katı ve sıvı bileşenlerle değiştirilerek, söz konusu gazların atmosfere kaçma tehlikesi ortadan kaldırılacak.
Berkeley Lab’de yüksek lisanslı araştırma görevlisi ve Berkeley – California Üniversitesinde doktora adayı olup çalışmaya öncülük eden Drew Lilley, “Soğutucular çözülmemiş bir sorun” diyor. “Şimdiye kadar hiç kimse eşyaları soğutan, verimli çalışan, güvenli olan ve çevreye zarar vermeyen alternatif bir çözüm geliştirmeyi başaramadı. İyonokalorik döngünün, uygun şekilde gerçeğe dönüştürülmesi halinde tüm bu hedefleri karşılayabilecek potansiyelde olduğunu düşünüyoruz.”
Kigali Değişikliğini kabul edenler gibi ülkelerin iklim değişimi hedeflerini yerine getirmesi için günümüzde kullanılan soğutucuların yerini alacak bir çözüm bulunması gerekiyor (değişiklik, Ekim 2022’de ABD de dahil 145 taraf ile kabul edilmişti). Yapılan bu anlaşmada, hidroflorokarbonların (HFC) üretim ve tüketiminin önümüzdeki 25 yıl boyunca en az %80 azaltılması sözü veriliyor. Buzdolapları ve klimalarda yaygın şekilde bulunan güçlü sera gazları olan HFC’ler, ısıyı karbondioksitten binlerce kat daha etkili şekilde hapsedebiliyor.
Yeni iyonokalorik döngü ise halihazırda geliştirilen diğer birkaç “kalorik” soğutma türü arasında. Aralarında manyetizma, basınç, germe ve elektrik alanlarının yer aldığı farklı yöntemlerin kullanıldığı bu tekniklerde, katı maddeler manipüle edilerek ısıyı emmeleri veya yaymaları sağlanıyor. İyonokalorik soğutma, katıdan sıvıya olan hal değişimlerine yol açarken iyon kullanması sebebiyle diğerlerinden ayrılıyor. Sıvı kullanmak, maddeyi pompalanabilir hale getirerek ısıyı sisteme sokmayı veya sistemden çıkarmayı kolaylaştırmak gibi ilave bir fayda da sağlıyor. Katı halli soğutmada bu konuda zorluk çekiliyor.
Lilley ve Berkeley Lab Enerji Teknolojileri Alanında araştırma görevlisi ve UC Berkeley’da misafir makine mühendisliği profesörü olan makale eş yazarı Ravi Prasher, iyonokalorik döngünün altında yatan kuramı ortaya seriyor. Bilim insanlarının hesaplamalarına göre yöntem, günümüzdeki sistemlerin çoğunda bulunan gazlı soğutucuların verimliliğiyle rekabet etme ve hatta onları geride bırakma potansiyeli taşıyor.
Araştırmacılar yöntemi deneysel şekilde de göstermişler. Lilley bu kapsamda iyodin ve sodyumun yanısıra lityum iyon pillerde yaygın kullanılan organik bir çözücü olan etilen karbonatı da kullanarak bir tuz oluşturmuş.
“Sadece GWP’si (küresel ısınma potansiyeli) sıfır olan değil, GWP’si de negatif olan soğutucular yapma potansiyeli var” diyor Lilley. “Etilen karbonat gibi bir malzeme kullanmak aslında karbon negatif olabilir çünkü bunu üretirken karbondioksidi bir girdi olarak kullanıyorsunuz. Böylelikle karbon yakalama üzerinden CO2 kullanma fırsatımız oluyor.”
Sistem üzerinden akım geçtiğinde iyonlar hareket ederek, malzemenin erime noktası değişiyor. Malzeme eridiği zaman etrafından ısı çekiyor ve iyonlar kaldırıldığı zaman ise malzeme katılaşarak ısıyı geri veriyor. Yapılan ilk deneyde, bir volttan düşük bir akım kullanılarak 25 derece Celsius’luk bir sıcaklık değişimi sağlanmış ki bu sıcaklık miktarı, diğer kalorik yöntemlerle gösterilenlerden daha büyük.
Yazar: Lauren Biron/ABD Enerji Bakanlığı – Ulusal Lawrence Berkeley Laboratuvarı. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
