Система без электроэнергии использует испарение, чтобы предметы оставались прохладными
Верблюды разработали, казалось бы, нелогичный подход к сохранению прохлады и экономии воды в условиях палящей пустыни: у них толстый слой изолирующего меха. Применяя, по сути, тот же подход, исследователи из Массачусетского технологического института разработали систему, которая может помочь сохранить прохладу в таких вещах, как фармацевтика или свежие продукты, в жарких условиях без необходимости в источнике питания.
Большинство людей не подумали бы надеть пальто из верблюжьей шерсти в жаркий летний день, но на самом деле многие живущие в пустыне люди склонны носить тяжелую верхнюю одежду, по сути, по той же причине. Оказывается, верблюжья шуба или одежда человека могут помочь уменьшить потерю влаги, в то же время позволяя испарению пота, чтобы обеспечить охлаждающий эффект. Испытания показали, что бритый верблюд теряет на 50 процентов больше влаги, чем небритый, в идентичных условиях, говорят исследователи.
В новой системе, разработанной инженерами Массачусетского технологического института, для достижения аналогичного эффекта используется двухслойный материал. Нижний слой материала, заменяющий потовые железы, состоит из гидрогеля, желатиноподобного вещества, состоящего в основном из воды, содержащегося в губчатой матрице, из которой вода может легко испаряться. Затем он покрывается верхним слоем аэрогеля, который играет роль меха, задерживая внешнее тепло, позволяя при этом проходить пару.
Гидрогели уже используются для некоторых систем охлаждения, но полевые испытания и подробный анализ показали, что этот новый двухслойный материал толщиной менее полдюйма может обеспечить охлаждение более чем на 7 градусов Цельсия в пять раз дольше, чем один гидрогель. - более восьми дней против менее двух.
Результаты сообщаются сегодня в статье в журнале Joule постдоком Массачусетского технологического института Чжэнмао Лу, аспирантами Элиз Стробах и Нинсинь Чен, научным сотрудником Николя Ферралис и профессором Джеффри Гроссманом, главой Департамента материаловедения и инженерии.
По словам исследователей, эту систему можно использовать для упаковки пищевых продуктов, чтобы сохранить свежесть и открыть более широкие возможности для распределения фермерами своих скоропортящихся культур. Это также может позволить безопасно хранить лекарства, такие как вакцины, по мере их доставки в отдаленные места. Пассивная система, работающая исключительно за счет тепла, не только обеспечивает охлаждение, но и снижает колебания температуры, которые испытывают товары, устраняя резкие скачки температуры, которые могут ускорить порчу.
Ферралис объясняет, что такие упаковочные материалы могут обеспечить постоянную защиту скоропортящихся продуктов или лекарств на всем пути от фермы или фабрики, через цепочку распределения и до дома потребителя. Напротив, существующие системы, которые полагаются на грузовики-рефрижераторы или складские помещения, могут оставлять зазоры, где могут происходить скачки температуры во время погрузки и разгрузки. «То, что происходит всего за пару часов, может быть очень вредным для некоторых скоропортящихся продуктов», - говорит он.
Основное сырье, используемое в двухслойной системе, недорогое - аэрогель сделан из кремнезема, который по сути представляет собой пляжный песок, дешевый и доступный. Но технологическое оборудование для изготовления аэрогеля большое и дорогое, поэтому этот аспект потребует дальнейшего развития, чтобы масштабировать систему для полезных приложений. Но по крайней мере одна стартап-компания уже работает над разработкой такой крупномасштабной обработки, чтобы использовать этот материал для изготовления теплоизоляционных окон.
Основной принцип использования испарения воды для обеспечения охлаждающего эффекта использовался веками в той или иной форме, включая использование систем с двумя горшками для консервирования продуктов. В них используются два глиняных горшка, один внутри другого, со слоем влажного песка между ними. Вода испаряется из песка через внешний горшок, оставляя внутренний охладитель. Но идея объединения такого испарительного охлаждения с изолирующим слоем, как это делают верблюды и некоторые другие пустынные животные, раньше не применялась к системам охлаждения, созданным человеком.
Для таких применений, как упаковка пищевых продуктов, важна прозрачность материалов гидрогеля и аэрогеля, что позволяет четко видеть состояние пищевых продуктов через упаковку. Но для других применений, таких как фармацевтика или охлаждение помещений, вместо этого можно было бы использовать непрозрачный изолирующий слой, предоставляющий еще больше возможностей для дизайна материалов для конкретных целей, - говорит Лу, ведущий автор статьи.
Материал гидрогеля на 97% состоит из воды, которая постепенно испаряется. В экспериментальной установке потребовалось 200 часов для 5-миллиметрового слоя гидрогеля, покрытого 5-миллиметровым аэрогелем, чтобы потерять всю свою влагу, по сравнению с 40 часами для чистого гидрогеля. Уровень охлаждения двухслойного материала был немного меньше - снижение на 7 градусов по Цельсию (около 12,6 градусов по Фаренгейту) по сравнению с 8 C (14,4 F), но эффект был гораздо более продолжительным. Как только влага уйдет из гидрогеля, материал можно наполнить водой, чтобы цикл мог начаться снова.
По словам Лу, такие материалы могут принести большую пользу в развивающихся странах, где доступ к электричеству часто ограничен. «Поскольку этот подход пассивного охлаждения вообще не зависит от электричества, это дает вам хороший путь для хранения и распределения этих скоропортящихся продуктов в целом», - говорит он.
Вопросы, отзывы, комментарии (0)
Нет комментариев