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低温冷却技术突破将超低温能源成本降低71%

导读 研究人员发现了一种非常简单的方法来制造低温冷却器,这种冷却器达到接近绝对零度的速度比现有设备快 3 5 倍,能耗降低约 71%。这对于任

研究人员发现了一种非常简单的方法来制造低温冷却器,这种冷却器达到接近绝对零度的速度比现有设备快 3.5 倍,能耗降低约 71%。这对于任何需要极低温度的事物来说都是大新闻。

低温冷却具有令人惊讶的实际应用数量。它可用于保存组织、卵子、精子甚至胚胎。它使 CAT 扫描仪、CERN 的大型粒子加速器和某些磁悬浮系统成为可能。它有数百种工程应用,为詹姆斯·韦伯太空望远镜提供了探测太空深度的卓越能力,并且有朝一日可能成为实现核聚变或量子计算机的关键。

在超低温下,一些奇怪的物理现象开始发挥作用。例如,超导性允许电流以零阻力通过某些材料。超流动性允许某些液体(如氦)无粘性地流动,此时它似乎开始无视正常规则并爬上容器的侧面。

接近绝对零度时,量子现象可以减慢到我们可以实际利用的程度,你可以开始得到玻色-爱因斯坦凝聚态,其中原子群不再像个体那样行动,而是聚集在一起,并同步到相同的量子态,开始像“超级原子”一样行动。

但是,在绝对零度附近工作的一个问题是,达到这个温度既昂贵又耗时。40 多年来,脉冲管制冷机 (PTR) 一直是实现 4 ºK(-452 ºF,-269 ºC)或绝对零度以上 4 度温度的首选技术。这是一台非常简单的机器,其工作原理与厨房里的冰箱大致相同。

PTR 使用一种压缩气体,当这种气体膨胀时,它会吸收热量。然而,PTR 使用的是氦气,而不是氟利昂或异丁烷,这使得它能够将物体冷却到物理学的理论极限。它确实有效,但需要几天的时间和大量的能量才能达到所需的冷却效果。

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 研究员 Ryan Snodgrass 及其团队所做的就是研究 PTR 的工作原理,以找出提高其效率的方法。他们发现,只需要一个非常简单的修复方法。该团队发现,PTR 在接近绝对零度的温度下工作得很好,但在室温下(必须开始冷却),其效率就大打折扣了。

他们发现,在较高温度下,氦气的压力如此之高,以至于它不断被分流到泄压阀中,而不是进行任何冷却。通过交换压缩机和制冷机之间的机械连接,然后调整阀门,使它们在过程开始时完全打开,并在冷却过程中逐渐关闭,他们可以实现更高的效率,并将物体冷却速度提高一半到四分之一——所有这些都不会浪费宝贵的氦气。

研究团队表示,如果新型冰箱原型能够推向市场,取代现有设备,每年将节省 2700 万瓦电力,全球电力节省 3000 万美元,冷却水量足以填满 5000 个奥运游泳池。它可以大大改变一系列超低温技术的成本/收益等式。

它还可以制作出一些美味的椰林飘香。

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