Kriogeniczne chłodzenie ma sporo praktycznych zastosowań. Służy do konserwacji tkanek, komórek jajowych, plemników, a nawet zarodków. Umożliwia działanie skanerów CAT, a także masywnych akceleratorów cząstek CERN i kolei maglev. Zapewnia Teleskopowi Kosmicznemu Jamesa Webba niezwykłą zdolność do badania głębin kosmosu i może pewnego dnia stać się kluczem do uczynienia zimnej fuzji i komputerów kwantowych rzeczywistością.
Czytaj też: Zero absolutne pozostaje nieosiągalne dla ludzi. Wiemy, jak osiągnąć najniższą temperaturę we wszechświecie
Teraz naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) drastycznie skrócili czas i energię potrzebną do schłodzenia materiałów do kilku stopni powyżej zera absolutnego. Gra jest warta świeczki. Szczegóły opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.
Kriogeniczna chłodziarka, o której marzą fizycy
W bardzo niskich temperaturach dzieją się rzeczy, które nie śniły się filozofom. Na przykład nadprzewodnictwo pozwala przepływać prądowi elektrycznemu przez niektóre materiały przy zerowym oporze, a nadciekłość pozwala niektórym cieczom płynąć bez żadnej lepkości, w którym to momencie wydaje się, że zaczyna ignorować normalne zasady i wspinać się po bokach pojemników. Zbliżając się do zera absolutnego, zjawiska kwantowe mogą zwolnić do punktu, w którym faktycznie możemy z nich skorzystać, otrzymując tzw. kondensaty Bosego-Einsteina, gdzie grupy atomów przestają zachowywać się jak jednostki, zlepiają się i synchronizują w tym samym stanie kwantowym, aby zacząć zachowywać się jak “superatomy”.
Czytaj też: To źródło energii na zawsze zmieni nasz świat. Kriogeniczna petarda od Tokamak Energy
Jednym z problemów z pracą w pobliżu zera absolutnego jest to, że osiągnięcie go jest drogie i czasochłonne. Od ponad 40 lat Pulse Tube Refrigerator (PTR) jest technologią do osiągania temperatur 4oK (-269oC), czyli czterech stopni powyżej zera absolutnego. To zaskakująco prosta maszyna, która działa na tej samej zasadzie co kuchenna lodówka.
PTR wykorzystuje gaz, który jest sprężany, a gdy ten się rozpręża, odprowadza ciepło. Jednak zamiast freonu lub izobutanu, PTR operuje helem – co pozwala mu chłodzić rzeczy do teoretycznych granic fizyki. Działa, ale osiągnięcie pożądanego chłodu zajmuje kilka dni i wymaga dużo energii.
Naukowcy NIST postanowili zmodyfikować PTR, aby zwiększyć jego wydajność i odkryli, że wystarczy zrobić zaskakująco niewiele. Uczeni odkryli, że w wyższych temperaturach gaz helowy był pod tak wysokim ciśnieniem, że był przetaczany do zaworu bezpieczeństwa zamiast chłodzenia. Poprzez zamianę połączeń mechanicznych między sprężarką a lodówką, a następnie regulację zaworów tak, aby były szeroko otwarte na początku procesu i stopniowo zamykały się w miarę postępu chłodzenia, można było osiągnąć znacznie wyższy poziom wydajności i chłodzić rzeczy szybciej – o połowę lub jedną czwartą – i to bez marnowania cennego helu.
Gdyby prototyp nowej chłodziarki mógł zostać wprowadzony na rynek w celu zastąpienia obecnego sprzętu, rocznie zaoszczędziłby 27 milionów watów mocy, 30 milionów dolarów globalnej energii elektrycznej i wystarczającą ilość wody chłodzącej, aby napełnić 5000 basenów olimpijskich. Mogłoby to znacząco zmienić równanie kosztów i korzyści dla szeregu technologii ultrazimnych.