Сила холода

10 инноваций охлаждения, которые продвинули прогресс

05 сентября, 2016
Технологические прорывы, которые стали возможны благодаря развитию искусственного охлаждения

Человечество в дотехнологическую эру воспринимало новинки с опаской. Эра hi-tech оставила большинство страхов позади: люди уже не считают машины, самолеты или микроволновые печи диковинными созданиями.

   

     

Скорость научного прогресса подстегивает бизнес: конкуренция оставляет позади тех, кто не сумел оседлать волну инноваций, а также использовать достижения ученых и инженеров для удобства пользователя.

Например, человечество покорило "мороз" сравнительно недавно, охлаждение стало незаменимым элементом важнейших технологий. Сможете ли навскидку назвать хотя бы пять? Предлагаем узнать о десяти технологических прорывах, которые стали возможны благодаря развитию искусственного охлаждения.

1. Революция в питании
1. Революция в питании
Догадывались ли вы, что новозеландские овцы причастны к появлению сотен тысяч супермаркетов по всему миру? Появление первых холодильников в 19-м веке и открытие технологий искусственной заморозки значительно изменило сельское хозяйство и привычки питания людей. Первая система охлаждения была сконструирована Джеймсом Харрисоном, британским эмигрантом в Австралию – он использовал эфир, спирт или аммиак и в 1851 году сделал первую машину, создававшую лед. К 1873 он уже оснащал своими системами корабли. Немногим позже фермеры Новой Зеландии добились успеха в посеве трав и выведении новых пород овец, что дало стимул для экспорта мяса. В 1882 году первая партия охлажденных овечьих туш уплыла в Лондон – и начала бум международной торговли замороженными продуктами питания. С тех пор фермы стали производить гораздо больше продукции, которая реализуется многочисленными магазинами по всему миру.
2. Опреснение воды
2. Опреснение воды

Холод помогает не только с пищей, но и с водой. На фоне сокращения мировых запасов пресной воды инновации в сфере превращения соленой морской воды в пригодную для питья жидкость привлекают все больше инвестиций. Замораживание имеет преимущества по сравнению с популярными сейчас методами опреснения, требуя меньше энергии и устраняя риск коррозии. При медленном охлаждении ниже 0 градусов образуются кристаллы пресного льда - они замерзают раньше рассола. При нагревании замерзший рассол тает раньше и стекает – и в итоге после оттаивания остается пресная вода. Нынешние модели пока не имеют нужного для промышленных объемов потенциала, но небольшие генераторы переносимого льда вполне удобны для домашнего использования. 

3. Eiswein, ледяное вино
3. Eiswein, ледяное вино

Если вам кажется, что холод помогает только в "скучных" вещах, спешим опровергнуть эту иллюзию. Благодаря технологии переносимого льда виноделам не приходится ждать первых заморозков, чтобы виноград покрылся инеем и приобрел необходимые для создания "ледяного вина" характеристики. Так называемый "айсвайн" знаменит своей сладостью и сложностью создания. Для получения высокой доли сахара в напитке виноград собирают, отжимают – и прокачивают сок через аппарат, в котором течет суспензия, состоящая из кристаллов льда размерами от 5 до 10 000 микрон. В итоге из него выходит уже смесь крошечных ледяных агрегатов и густого сока. Ее вновь заливают в бак, где сок и лед из-за разной плотности разделяются. Процесс повторяют несколько раз, пока в соке не останется необходимая концентрация сахара. Затем получившийся продукт отправляют бродить для получения ароматного напитка - концентрированного, очень сладкого вина. 

4. Болиды
4. Болиды "Формулы 1"

Моторы обычных машин и мотоциклов раньше, как правило, охлаждались лишь воздухом. Новые двигатели, а тем более сердца суперскоростных болидов "Формулы 1" требуют особых технологий, которые предохраняли бы технику от перегрева. Эксперты-инженеры утверждают, что жидкостные системы по-прежнему остаются лучшим средством охлаждения двигателя. КПД двигателей суперкаров составляет около 30%, еще треть из – около 2000 киловатт – уходит на нагрев автомобиля. На воздушное охлаждение полагаться не стоит – скорость потоков воздуха в машине значительно ниже, чем их скорость вокруг болида, а усовершенствование такой системы ухудшит аэродинамику кара. Специальные системы прокачивают хладагент – около четырех литров специальной жидкости – по нагревающимся агрегатам со скоростью 270 литров в минуту, позволяя эффективно отводить тепло и разгонять суперкары до невероятных скоростей. Инженеры команд рассказывают, что давление в охлаждающих системах специально нагнетают до 370 атмосфер, повышающих точку кипения хладагента. 

5. Ноутбук - мечта геймера
5. Ноутбук - мечта геймера

Поначалу водяное охлаждение использовали лишь в суперкомпьютерах. Любителей оверклокинга – разгона процессоров до предельных мощностей, и видеоигр, графика которых раскаляла видеокарту – сдерживали зачастую неэффективные системы охлаждения. Для настольных компьютеров водяные кулеры начали предлагать уже давно. Жидкостной охладитель циркулирует по трубкам у процессора, отводя тепло от нагревающегося процессора и проходя через радиатор, где остывает от потоков воздуха.Лэптопы прежде оставались позади этого этапа прогресса. Однако, проблеме положен конец. Техногигант ASUS выпустил первый в мире игровой ноутбук с системой жидкостного охлаждения. Игроманы в нем оценят 17-дюймовый экран с качеством картинки 4К, причем перегрев больше не будет проблемой для включения максимальных настроек графики. Оверклокеры также найдут применение эффективному охлаждению в покорении гигагерцов процессора нового поколения. 

6. Горнолыжные курорты и сауна наоборот
6. Горнолыжные курорты и сауна наоборот

Изменения климата и капризы природы могут лишать популярные зимние курорты главного атрибута горнолыжного спорта - снега. Технологии позволили засыпать горные склоны снегом даже при температуре +20. Специальные вакуумные лёдогенераторы позволяют спортсменам тренироваться гораздо чаще, а любителям – кататься круглый год. Устройство распыляет и мгновенно замораживает в воздухе капельки воды до их соприкосновения с поверхностью. Иногда воду смешивают со специальными белками бактерий Pseudomonas syringae. Протеины работают как помощники нуклеации, инициируя формирование кристалликов льда даже при сравнительно высоких температурах.Мороз встал и на стражу здоровья - новые разработки в области криотерапии, лечения холодом, открывают врачам новые возможности. Специальные "криосауны" стремительно охлаждают на несколько минут тело человека – оказалось, что среди прочего это нормализует обмен веществ и снижает чувство голода. Мороз помог и хирургии – использование сверхохлажденного жидкого азота справляется со многими кожными неприятностями, такими как бородавки, родинки, полипы или кератозы. Жидкость замораживает ткани на клеточном уровне, минимизируя побочные эффекты вмешательства. 

7. Ловушки для атомов
7. Ловушки для атомов

Есть и виды охлаждения, которые действуют на уровне микрокосма. К примеру, допплерово охлаждение, которое замедляет атомы, использует световые волны на частоте немного меньшей, чем электронные переходы в атоме. Свет настроен на "красную", нижнюю сторону перехода, атомы поглощают фотоны из лазерного пучка и теряют инерцию. Возбужденные атомы в итоге спонтанно излучают фотоны, теряя скорость и кинетическую энергию - что в терминах молекулярной физики означает охлаждение. Таким образом, атомы можно "заморозить" до температуры на доли Кельвинов выше абсолютного нуля.Допплерово охлаждение требуется среди прочего для магнитно-оптических ловушек, которые ловят группы "замороженных" нейтральных атомов при сверхнизких температурах. Их используют в частности для экспериментов с квантовой передачей информации, а также для получения конденсата Бозе-Эйнштейна - в этом состоянии квантовые свойства начинают проявляться на макроуровне. 

8. Сверхпроводимость
8. Сверхпроводимость

Достижение чрезвычайно низких температур привело человечество к еще одному открытию. В 1911 году нидерландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что ртуть при температуре на 4 градуса выше абсолютного нуля (около -269 градусов Цельсия) потеряла электрическое сопротивление. Золото и медь при этой температуре сохраняли малое, но измеримое сопротивление. Позже аналогичные свойства нашли и у других металлов - самый высокий барьер перехода к сверхпроводимости оказался у ниобия, около -263 градусов Цельсия. В 1986 году в Цюрихе достигли сверхпроводимости керамического образца с оксидом металлом бария, лантана и меди при температуре на 35 градусов выше абсолютного нуля. Сейчас уже есть материалы, которые становятся сверхпроводниками при температуре на 135 градусов выше абсолютного нуля - и это не предел.Удовлетворительной теории, которая поясняет это явление, до сих пор нет. Однако его вовсю применяют на практике. Сверхпроводники среди прочего используются для создания сильных магнитных полей. К примеру, они помогают маглевам - "летающим" японским поездам, способным разгоняться до невероятных скоростей. Кроме того, их применяют в медицине для получения сверхточных магнитограмм различных органов и тканей. 

9. Сверхтекучесть
9. Сверхтекучесть

Холод помогает достигать еще одного сверхсостояния, а именно сверхтекучести. Это явление возникает в особом состоянии вещества, так называемой квантовой жидкости. Это состояние при температуре около абсолютного нуля, при котором вещество не превращается в замерзший кристалл, а способно протекать через узкие щели и капилляры, не вызывая силы трения. В итоге рассеивания энергии атомов не происходит: энергия столкновений частиц на сверхнизких температурах оказывается меньше, чем необходимо для изменения энергетического состояния атома.Использование сверхтекучести не только в лабораторных условиях при температуре около абсолютного нуля - дело науки будущего. Тем не менее, физики предполагают, что покорение сверхтекучести при комнатных температурах могло бы создать масло, которое бы сделало двигатели износостойкими, передавать электричество на расстояния без потерь или же, например, использовать жидкость как лазер для разрезания металлов. 

10. Покорение космоса
10. Покорение космоса

Охлаждение служит не только приземленным целям, но и вполне космическим. Многие спутниковые устройства и исследовательские зонды, бороздящие просторы галактики, используют системы охлаждения. Они необходимы даже в условиях не особо теплого космоса - любой перегрев вызывает помехи в измерительных устройствах, которые изучают Вселенную. К примеру, миссия "Планк", которая изучает реликтовое излучение и создает картинку мира после Большого взрыва, оснащена специальным устройством "абсорбционного охлаждения". Использованные в нем гидриды металлов способны охлаждать водород до температуры около -250 по Цельсию, а свойства материалов позволяют избегать вибраций и давления, обеспечивая максимальную четкость изображения для новых открытий ученых."Абсорбционное охлаждение" использует хладагент с очень низкой температурой замерзания, ниже -18 градусов Цельсия. Процесс работает в три цикла. В первом охладительный элемент в разреженной среде, которая еще больше понижает температуру замерзания, испаряется, поглощая тепло с рабочих деталей. Ставший газом хладагент поглощается другой жидкостью, к примеру, соляным раствором. Эта смесь также поглощает тепло, разгоряченный газ улетучивается и проходит через коммуникации вне системы, отдавая тепло наружу, конденсируется – и стекает назад для охлаждения функционирующей системы.