7 грудня, 2016. середа

Новое время

UA RU
Сила холоду

10 інновацій охолодження, які просунули прогрес

05 вересня, 2016
Технологічні прориви, які стали можливими завдяки розвитку штучного охолодження

Людство в дотехнологічну еру сприймало новинки з побоюванням. Ера hi-tech залишила більшість страхів позаду: люди вже не вважають машини, літаки чи мікрохвильові печі дивовижними створіннями. 

 

 

Швидкість наукового прогресу підстьобує бізнес: конкуренція залишає позаду тих, хто не зумів осідлати хвилю інновацій, а також використовувати досягнення вчених і інженерів для зручності користувача.Наприклад, людство підкорило "мороз" порівняно недавно, охолодження стало незамінним елементом найважливіших технологій. Чи зможете одразу назвати хоча б п'ять? Пропонуємо дізнатися про десять технологічних проривів, які стали можливими завдяки розвитку штучного охолодження.

1. Революція у харчуванні
1. Революція у харчуванні

Чи здогадувались ви, що новозеландські вівці причетні до появи сотень тисяч супермаркетів по всьому світу? Поява перших холодильників в 19-му столітті і відкриття технологій штучної заморозки значно змінило сільське господарство і звички харчування людей. Перша система охолодження була сконструйована Джеймсом Харрісоном, британським емігрантом в Австралію - він використовував ефір, спирт або аміак і в 1851 році створив першу машину, яка створювала лід. На 1873 він уже оснащував своїми системами кораблі. Трохи пізніше фермери Нової Зеландії досягли успіху в посіві трав і виведенні нових порід овець, що дало стимул для експорту м'яса. У 1882 році перша партія охолоджених овечих туш попливла до Лондона – і розпочала бум міжнародної торгівлі замороженими продуктами харчування. З того часу ферми стали виробляти набагато більше продукції, яка реалізується численними магазинами по всьому світу.

2.Опріснення води
2.Опріснення води

Холод допомагає не тільки з їжею, але і з водою. На тлі скорочення світових запасів прісної води інновації в сфері перетворення солоної морської води на придатну для пиття рідину залучають все більше інвестицій. Заморожування має переваги у порівнянні з популярними зараз методами опріснення, вимагаючи менше енергії і усуваючи ризик корозії. При повільному охолодженні нижче 0 градусів утворюються кристали прісного льоду - вони замерзають раніше розсолу. При нагріванні замерзлий розсіл тане раніше і стікає - і в підсумку після відтавання залишається прісна вода. Нинішні моделі поки не мають потрібного для промислових обсягів потенціалу, але невеликі генератори переносного льоду цілком зручні для домашнього використання.

3. Eiswein, крижане вино
3. Eiswein, крижане вино

Якщо вам здається, що холод допомагає тільки в "нудних" речах, поспішаємо спростувати цю ілюзію. Завдяки технології переносного льоду виноробам не доводиться чекати перших заморозків, щоб виноград покрився інеєм і набув необхідних для створення "крижаного вина" характеристик. Так званий "Айсвайн" знаменитий своєю солодкістю і складністю створення. Для отримання високої частки цукру в напої виноград збирають, віджимають - і прокачують сік через апарат, в якому тече суспензія, що складається з кристалів льоду розмірами від 5 до 10 000 мікрон. В результаті з нього виходить вже суміш крихітних крижаних агрегатів і густого соку. Її знову заливають в бак, де сік і лід через різну щільність розділяються. Процес повторюють кілька разів, поки в соку не залишиться необхідна концентрація цукру. Потім отриманий продукт відправляють бродити для отримання ароматного напою - концентрованого, дуже солодкого вина.

4. Боліди
4. Боліди "Формули 1"

Мотори звичайних машин і мотоциклів раніше, як правило, охолоджувалися лише повітрям. Нові двигуни, а тим більше серця супершвидкісних болідів "Формули 1" вимагають особливих технологій, які охороняли б техніку від перегріву. Експерти-інженери стверджують, що рідинні системи як і раніше залишаються найкращим засобом охолодження двигуна. ККД двигунів суперкарів становить близько 30%, ще третина з - близько 2000 кіловат - йде на нагрів автомобіля. На повітряне охолодження покладатися не варто - швидкість потоків повітря в машині значно нижче, ніж їх швидкість навколо боліда, а вдосконалення такої системи погіршить аеродинаміку автомобіля.Спеціальні системи прокачують холодоагент - близько чотирьох літрів спеціальної рідини – по агрегатам, що нагрваються, зі швидкістю 270 літрів в хвилину, дозволяючи ефективно відводити тепло і розганяти суперкари до неймовірних швидкостей. Інженери команд розповідають, що тиск в охолоджувальних системах спеціально нагнітають до 370 атмосфер, які підвищують точку кипіння холодоагенту.

5. Ноутбук - мрія геймера
5. Ноутбук - мрія геймера

Спочатку водяне охолодження використовували лише в суперкомп'ютерах. Любителів оверклокінгу - розгону процесорів до граничних потужностей, і відеоігор, графіка яких нагрівала відеокарту - стримували часто неефективні системи охолодження. Для настільних комп'ютерів водяні кулери почали пропонувати вже давно. Рідинний охолоджувач циркулює по трубках у процесора, відводячи тепло від процесора, що нагрівається і проходячи через радіатор, де охолоджується від потоків повітря.Лептопи до цього були позаду цього етапу прогресу. Однак, проблему вирішено. ТехноГігант ASUS випустив перший в світі ігровий ноутбук з системою рідинного охолодження. Ігромани в ньому оцінять 17-дюймовий екран з роздільною якістю картинки 4К, причому перегрів більше не буде проблемою для включення максимальних налаштувань графіки. Оверклокери також знайдуть застосування ефективному охолодженню в підкоренні гігагерців процесора нового покоління.

6. Гірськолижні курорти і сауна навпаки
6. Гірськолижні курорти і сауна навпаки

Зміни клімату і капризи природи можуть позбавляти популярні зимові курорти головного атрибута гірськолижного спорту - снігу. Технології дозволили засипати гірські схили снігом навіть при температурі +20. Спеціальні вакуумні льодогенератори дозволяють спортсменам тренуватися набагато частіше, а любителям - кататися протягом усього року. Пристрій розпорошує і миттєво заморожує в повітрі крапельки води до їх зіткнення з поверхнею. Іноді воду змішують зі спеціальними білками бактерій Pseudomonas syringae. Протеїни працюють як помічники нуклеації, ініціюючи формування кристалів льоду навіть при порівняно високих температурах.Мороз встав і на варту здоров'я - нові розробки в області кріотерапії, лікування холодом, відкривають лікарям нові можливості. Спеціальні "кріосауни" стрімко охолоджують на кілька хвилин тіло людини - виявилося, що серед іншого це нормалізує обмін речовин і знижує відчуття голоду. Мороз допоміг і хірургії - використання надохолодженого рідкого азоту справляється з багатьма шкірними неприємностями, такими як бородавки, родимки, поліпи або кератози. Рідина заморожує тканини на клітинному рівні, мінімізуючи побічні ефекти втручання.

7. Пастки для атомів
7. Пастки для атомів

Є й види охолодження, які діють на рівні мікрокосму. Наприклад, допплерове охолодження, яке уповільнює атоми, використовує світлові хвилі на частоті трохи меншій, ніж електронні переходи в атомі. Світло налаштоване на "червону", нижню сторону переходу, атоми поглинають фотони з лазерного пучка і втрачають інерцію. Збуджені атоми в результаті спонтанно випромінюють фотони, втрачаючи швидкість і кінетичну енергію - що в термінах молекулярної фізики означає охолодження. Таким чином, атоми можна "заморозити" до температури на частки кельвінів вище абсолютного нуля.Допплерове охолодження необхідне серед іншого для магнітно-оптичних пасток, які ловлять групи "заморожених" нейтральних атомів при наднизьких температурах. Їх використовують зокрема для експериментів з квантовою передачею інформації, а також для отримання конденсату Бозе-Ейнштейна - в цьому стані квантові властивості починають проявлятися на макрорівні.

8. Надпровідність
8. Надпровідність

Досягнення надзвичайно низьких температур привело людство до ще одного відкриття. У 1911 році нідерландський фізик Камерлінг-Оннес виявив, що ртуть при температурі на 4 градуси вище абсолютного нуля (близько -269 градусів Цельсія) втратила електричний опір. Золото і мідь при цій температурі зберігали малий, але вимірюваний опір. Пізніше аналогічні властивості знайшли і у інших металів - найвищий бар'єр переходу до надпровідності виявився у ніобія, близько -263 градусів Цельсія. У 1986 році в Цюріху досягли надпровідності керамічного зразка з оксидом металом барію, лантану і міді при температурі на 35 градусів вище абсолютного нуля. Зараз вже є матеріали, які стають надпровідиками при температурі на 135 градусів вище абсолютного нуля - і це не межа.Прийнятної теорії, яка пояснює це явище, досі немає. Однак його щосили застосовують на практиці. Надпровідники серед іншого використовуються для створення сильних магнітних полів. Наприклад, вони допомагають маглевам - "літаючим" японським поїздам, здатним розігнатися до неймовірних швидкостей. Крім того, їх застосовують в медицині для отримання надточних магнітограм різних органів і тканин.

9. Надтекучість
9. Надтекучість

Холод допомагає досягати ще одного надстану, а саме надплинності. Це явище виникає в особливому стані речовини, так званій квантовій рідині. Це стан при температурі близько абсолютного нуля, за якого речовина не перетворюється на замерзлий кристал, а здатна протікати через вузькі щілини і капіляри, не викликаючи сили тертя. В результаті розсіювання енергії атомів не відбувається: енергія зіткнень частинок на наднизьких температурах виявляється менше, ніж необхідно для зміни енергетичного стану атома.Використання надплинності не тільки в лабораторних умовах при температурі близько абсолютного нуля - справа науки майбутнього. Проте, фізики припускають, що підкорення надплинності при кімнатних температурах могло б створити масло, яке б зробило двигуни зносостійкими, передавати електрику на відстані без втрат або ж, наприклад, використовувати рідину як лазер для розрізання металів.

10. Підкорення космосу
10. Підкорення космосу

Охолодження служить не тільки приземленим цілям, але і цілком космічним. Багато супутникових пристроїв та дослідних зондиів що борознять простори галактики, використовують системи охолодження. Вони необхідні навіть в умовах не особливо теплого космосу - будь-який перегрів викликає перешкоди в вимірювальних приладах, які вивчають Всесвіт. Наприклад, місія "Планк", яка вивчає реліктове випромінювання і створює картинку світу після Великого вибуху, оснащена спеціальним пристроєм "абсорбційного охолодження". Використані в ньому гідриди металів здатні охолоджувати водень до температури близько -250 за Цельсієм, а властивості матеріалів дозволяють уникати вібрацій і тиску, забезпечуючи максимальну чіткість зображення для нових відкриттів вчених."Абсорбційне охолодження" використовує холодоагент з дуже низькою температурою замерзання, нижче -18 градусів Цельсія. Процес працює в три цикли. У першому охолоджувальний елемент в розрідженому середовищі, яке ще більше знижує температуру замерзання, випаровується, поглинаючи тепло з робочих деталей. Холодоагент, що став газом – поглинається іншою рідиною, наприклад, соляним розчином. Ця суміш також поглинає тепло, розпалений газ випаровується і проходить через комунікації поза системою, віддаючи тепло назовні, конденсується - і стікає назад для охолодження функціонуючої системи.