قطعی برق در تابستان یکی از مشکلات چندسال اخیر ایران است که سیستم‌‌های سرمایشی را دچار مشکل می‌کند. همچنین در جهان بیش از ۷۰۰ میلیون نفر بدون دسترسی به برق قابل اعتماد زندگی می‌کنند. این مساله مخصوصا در تابستان برای نگهداری مواد فاسدشدنی مشکلی جدی محسوب می‌شود.

اخیرا تیمی از پژوهشگران برای حل این مشکل، نوعی فناوری‌ را معرفی کردند که با استفاده از یک واکنش شیمیایی، آب را به سرعت خنک می‌کند و سپس تنها با استفاده از نور خورشید، خود را برای استفاده مجدد آماده می‌سازد.

این سیستم که NESCOD نام دارد و مخفف عبارت «خنک‌سازی پایدارِ درخواستی بدون برق» است، که در آزمایشگاه توانست دمای یک مخلوط را از ۲۵ درجه سانتی‌گراد به ۳٫۶ درجه سانتی‌گراد در حدود ۲۰ دقیقه کاهش دهد. این سامانه سپس برای بیش از ۱۵ ساعت در دمایی کمتر از ۱۵ درجه سانتی‌گراد باقی ماند؛ محدوده‌ای که به نیازهای اولیه سرمایش نزدیک است.

این سیستم به کمپرسور تبرید که تجهیز اصلی در اکثر سیستم‌های سرمایشی است نیازی ندارد.

طرز کار فرآیند انحلال گرماگیر

این فرآیند خنک‌سازی، به یک واکنش علمی به نام «انحلال گرماگیر» (Endothermic Dissolution) وابسته است. به زبان ساده، برخی نمک‌ها هنگام حل شدن در آب، به‌جای آزاد کردن گرما، گرما را از محیط اطراف خود جذب می‌کنند. این جذب گرما باعث کاهش سریع دما می‌شود.

پژوهشگران چندین نمک مختلف را آزمایش کردند و در نهایت نیترات آمونیوم را به عنوان بهترین گزینه شناسایی کردند که بیش از چهار برابر کلرید آمونیوم اثر خنک‌کنندگی ایجاد کرد.

نیترات آمونیوم بسیار راحت‌تر از بسیاری از نمک‌های رقیب در آب حل می‌شود. حلالیت آن می‌تواند به ۲۰۸ گرم در هر ۱۰۰ گرم آب برسد، در حالی که بیشتر گزینه‌های جایگزین کمتر از ۱۰۰ گرم حلالیت دارند. از آنجا که مقدار بیشتری نمک می‌تواند حل شود، گرمای بیشتری در طول این فرآیند جذب می‌شود.

این ترکیب همچنین مزایای عملی دیگری دارد. نیترات آمونیوم هم‌اکنون در سراسر جهان در مقیاس وسیع به عنوان کود شیمیایی تولید می‌شود، بنابراین نسبتاً ارزان و به‌طور گسترده در دسترس است.

فرآیند آزمایش

برای بررسی اینکه آیا این سیستم می‌تواند به حفظ مواد غذایی کمک کند یا نه، تیم پژوهشی محلول نمک را درون یک فنجان فلزی قرار داد که داخل یک جعبه عایق از جنس فوم پلی‌استایرن نگهداری می‌شد.

با حل شدن تدریجی نمک، دمای داخل فنجان به‌طور قابل توجهی کاهش یافت.

دمای داخل فنجان در ابتدا در حدود ۳٫۶ درجه سانتی‌گراد باقی ماند و سپس برای بیش از ۱۵ ساعت زیر ۱۵ درجه سانتی‌گراد حفظ شد. این موضوع می‌تواند فناوری مذکور را برای نگهداری مواد غذایی و مواد حساس به دما در مکان‌هایی که برق غیرقابل اعتماد است یا اصلاً وجود ندارد، به گزینه‌ای مناسب تبدیل کند.

استفاده مجدد

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های سیستم‌های خنک‌کننده شیمیایی این است که بسیاری از آن‌ها تنها یک بار قابل استفاده هستند. «نسکود» این مشکل را با استفاده از انرژی خورشیدی برای بازتولید نمک پس از هر چرخه حل کرده است.

پس از آنکه محلول نمکِ حل‌شده به دمای محیط بازمی‌گردد، از طریق یک بازتولیدکننده خورشیدی ویژه با طراحی فنجانی‌شکل در معرض نور خورشید متمرکز قرار می‌گیرد. ماده به‌کاررفته در این دستگاه بخش بزرگی از نور خورشید را جذب می‌کند و مایع را تا جایی گرم می‌کند که آب شروع به تبخیر شدن کند.

با خارج شدن آب از محلول، بلورهای نیترات آمونیوم در امتداد دیواره‌های فنجان تشکیل می‌شوند. این بلورها به‌طور طبیعی بر اثر نیروی گرانش جدا شده و سقوط می‌کنند که جمع‌آوری آن‌ها برای استفاده در چرخه خنک‌سازی بعدی را آسان می‌سازد.

آب تبخیرشده می‌تواند از طریق تقطیر خورشیدی متراکم شده و دوباره مورد استفاده قرار گیرد. این موضوع می‌تواند به‌ویژه در مناطق گرم و خشک که هم برق و هم آب شیرین محدود هستند، اهمیت زیادی داشته باشد.

اهمیت ایده خنک‌سازی بدون برق

سیستم‌های خنک‌کننده در حال حاضر بخش قابل توجهی از برق جهان را مصرف می‌کنند. طبق اعلام آژانس بین‌المللی انرژی، تهویه مطبوع تقریباً ۱۰ درصد مصرف برق جهانی را به خود اختصاص می‌دهد و انتظار می‌رود با افزایش دما، این تقاضا بیشتر نیز شود. کشورهایی با تابستان‌های بسیار گرم، مقدار زیادی برق برای خنک کردن ساختمان‌ها و حفظ ذخایر مواد غذایی مصرف می‌کنند.

این پروژه یک سامانه تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی مستقل از شبکه برق است که برای ایجاد سرمایش ارزان‌قیمت و با اثرات زیست‌محیطی اندک طراحی شده است. استفاده از نور مستقیم خورشید به جای برق شبکه می‌تواند این سامانه را در مناطق دورافتاده یا کمتر توسعه‌یافته کاربردی‌تر کند.

علاوه بر منازل، این فناوری می‌تواند از سردخانه‌ محلی، ذخیره‌سازی مواد غذایی و نگهداری اقلام حساس به دما در مکان‌هایی که زیرساخت قابل اعتمادی ندارند، پشتیبانی کند.

کاستی‌های پروژه

این سیستم همچنان با پرسش‌های بی‌پاسخ روبه‌رو است و هنوز در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد. یافته‌های منتشرشده اشاره‌ای به آزمایش‌های میدانی گسترده یا بهره‌برداری تجاری نکرده‌اند. نتایج خنک‌سازی از آزمایش‌های کنترل‌شده با استفاده از محفظه‌های عایق به دست آمده‌اند، نه از خانه‌ها یا ساختمان‌های واقعی.

این مطالعه همچنین به نگرانی‌های قانونی مرتبط با نیترات آمونیوم اشاره‌ای نمی‌کند؛ ماده‌ای که در چندین کشور تحت نظارت شدید قرار دارد، زیرا علاوه بر کاربردهای دیگر، می‌تواند در ساخت مواد منفجره نیز استفاده شود.

پژوهشگران هنوز هیچ زمان‌بندی‌ای برای عرضه تجاری این فناوری اعلام نکرده‌اند و هیچ شریک صنعتی برای تولید انبوه آن معرفی نشده است.

منبع: economic times