Цель - защитить людей от экстремальной жары без ухудшения выбросов парниковых газов
По мере изменения климата люди во всем мире будут переживать все больше дней экстремальной жары. Без способов охлаждения эти дни будут в лучшем случае некомфортными. В худшем случае чрезмерная жара будет угрожать жизни людей.
Это очередной материал из новой серии, посвященной технологиям и действиям, которые могут замедлить изменение климата, уменьшить его последствия или помочь сообществам справиться с быстро меняющимся миром.
Прошлым летом в Огайо из-за перебоев с электричеством сотни тысяч людей лишились возможности пользоваться кондиционерами. Температура в Колумбусе 14 июня достигла 34° по Цельсию (93° по Фаренгейту). Ночью температура не опускалась ниже 25 °C (77 °F). В результате в домах было жарко и душно. Изменение климата сделало эту жаркую ночь более вероятной, чем она была бы в противном случае, согласно данным, полученным с помощью инструмента Climate Central. Это некоммерческая новостная группа, которая анализирует и сообщает о климатических исследованиях.
Но условия в Огайо были мягкими по сравнению с тем, с чем многие столкнулись в других странах. В марте 2021 года в Навабшахе, Пакистан, температура поднялась до 49,5 °C (121,1 °F). В июне того же года в одном из городов канадской Британской Колумбии температура поднялась до 49,6 °C (121 °F). А июльская жара в некоторых районах Китая и Англии в прошлом году достигла 40 °C (104 °F).
Многие люди, пострадавшие от этих жарких периодов, не имели кондиционеров. Например, жители Англии и Тихоокеанского Северо-Запада редко сталкивались с необходимостью в них.
Изменение климата сделало теплые ночные температуры на большей части штата Огайо в четыре-пять раз более вероятными 15 июня, как показывает инструмент данных Climate Central. Многочисленные отключения электроэнергии оставили сотни тысяч жителей Огайо без домашних кондиционеров.
По мере того, как климат Земли продолжает теплеет, люди во всем мире все чаще сталкиваются с очень жаркими днями. Экстремальная жара может усугубить проблемы со здоровьем, а иногда и привести к летальному исходу. Жаркая погода также затрудняет эффективную работу людей. Поэтому неудивительно, что в условиях потепления многие люди захотят - и будут нуждаться - в способах сохранения прохлады.
Однако дополнительная электроэнергия для кондиционирования воздуха может привести к перегрузке электросетей. В некоторых районах Соединенных Штатов могут участиться периодические отключения электроэнергии, предупреждает доклад, опубликованный в январе 2022 года в журнале "Будущее Земли".
Рохини Кумар является соавтором этого исследования. Он работает в Центре экологических исследований имени Гельмгольца - UFZ в Лейпциге, Германия. Большинство людей в США уже имеют кондиционеры, или A/C, отмечает Кумар. Но во многих других частях мира, например, в Индии, мало кто имеет дома кондиционеры. Добавление кондиционеров туда увеличит потребление электроэнергии. В настоящее время только уголь, нефть или газ могут обеспечить достаточное количество электроэнергии для этого. Эти виды топлива выделяют большое количество парниковых газов, которые способствуют изменению климата.
Каждый год энергия для охлаждения уже выбрасывает в атмосферу около 1,95 миллиарда метрических тонн (2,15 миллиарда коротких тонн) парниковых газов. Это почти 4 процента глобальных выбросов, сообщили исследователи в журнале Joule 2022 апреля. Более того, во многих современных системах кондиционирования воздуха используются теплопоглощающие жидкости, называемые охлаждающими жидкостями, которые сами по себе являются парниковыми газами. Эти газы могут просачиваться из кондиционеров в атмосферу.
Инженеры работают над новыми, более совершенными способами охлаждения. Некоторые из этих систем кондиционирования воздуха будут работать на меньшем количестве электроэнергии и избавятся от вредных для окружающей среды охлаждающих жидкостей. Другие инновации помогут удерживать летнюю жару в зданиях, не требуя электричества. Появляющиеся варианты варьируются от высокотехнологичных до простых. Но все они могут вскоре помочь людям во всем мире лучше справляться с потеплением на Земле.
Новые подходы к испарению
Инженер-механик Эрик Козубал работает в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Голдене, штат Колорадо. Он был одним из авторов исследования Joule, опубликованного в апреле 2022 года. Его группа обнаружила, что более половины парниковых газов, связанных с современными кондиционерами, образуется в результате производства энергии для их питания. Большая часть остальной части приходится на охлаждающие жидкости. Меньшая доля приходится на производство кондиционеров.
Системы кондиционирования воздуха выводят тепло из зданий посредством испарительного охлаждения. В принципе, когда жидкость испаряется, образующийся пар может уносить тепло. Это тот же процесс, который заставляет вас чувствовать холод, когда вы выходите из бассейна и вода испаряется с вашей кожи. В современных кондиционерах испарительное охлаждение осуществляется с помощью охлаждающих жидкостей, содержащих парниковые газы. Но команда Козубала разработала новую систему, которая обеспечивает испарительное охлаждение с помощью соленой воды.
Новая конструкция позволяет не только отказаться от загрязняющих воздух хладагентов. Она также может охлаждать воздух гораздо эффективнее. Почему? Потому что новая система использует соленую воду для осушения охлаждаемого воздуха. Соли в воде, такие как хлорид лития или ацетат калия, впитывают влагу из воздуха. А испарительное охлаждение гораздо легче осуществлять при сухом воздухе. Возможно, вы и сами это испытали. Вспомните, как вы дрожите, выходя из бассейна в сухой воздух, даже если на улице жарко, говорит Козубал. Вы зябнете гораздо быстрее, чем во влажном воздухе закрытого бассейна".
По словам Козубала, новая система может охлаждать воздух, используя лишь шестую часть электроэнергии по сравнению со стандартными кондиционерами. То, сколько энергии ей потребуется, будет зависеть от влажности воздуха в регионе. Компания Blue Frontier, расположенная в Паркленде, штат Флорида, собирается вывести эту технологию на рынок.
Еще одна новая технология охлаждения использует воду в качестве теплоносителя вместо жидкостей, которые действуют как парниковые газы. Джек Альваренга работает в Гарвардском университете в Кембридже, штат Массачусетс. Этот материаловед был частью команды, которая изобрела новую систему. Она перемещает поступающий воздух через серию пористых керамических туннелей.
Система испарительного охлаждения, разработанная в Институте Wyss при Гарвардском университете, использует отдельные каналы влажного и сухого воздуха для охлаждения помещения. Горячий воздух (красный цвет) поступает в устройство. Прохладный сухой воздух (фиолетовый) поступает из половины туннелей системы в помещение. Избыточная влажность (светло-голубой цвет) из другой половины туннелей системы покидает здание. Вставка справа представляет собой концептуальный рисунок множества влажных и сухих туннелей внутри системы охлаждения.
Система распыляет воду на половину туннелей. Керамика впитывает часть этой воды. Тепло в этих туннелях испаряет воду. Это охлаждает стенки туннелей. Избыточная влага из этих туннелей выходит наружу.
Другие туннели имеют барьерный слой, который не пропускает воду. Воздух, проходящий через них, остается сухим. Но этот воздух также охлаждается, потому что сухие туннели находятся рядом с теми, которые были опрысканы и охлаждены.
Команда протестировала систему в июле 2022 года в доме в Кембридже, штат Массачусетс. Несмотря на сильную жару, эта система понизила температуру в комнате примерно на 10 градусов C (18 градусов F). "Мы все еще пытаемся улучшить этот показатель", - говорит Альваренга. При этом система потребляет меньше энергии и не использует охлаждающие жидкости, выделяющие парниковые газы.
Джонатан Гринхэм (слева) и Джек Альваренга (справа) из Гарвардского университета демонстрируют испарительный кондиционер, который они разработали в институте Wyss. Они находятся на месте его полевых испытаний в 2022 году в Кембридже, штат Массачусетс.
Твердые вещества, которые охлаждают
Барокалорические (BAIR-oh-kah-LOR-ik) материалы также могут стать новыми полезными инструментами для борьбы с жарой. Эти замечательные материалы выделяют или поглощают тепло в ответ на изменение давления. При воздействии давления на барокалорические материалы их молекулы становятся более упорядоченными. Это заставляет материалы выделять энергию в виде тепла. С другой стороны, молекулы этих материалов становятся более неупорядоченными, когда давление на них ослабевает. При этом молекулы поглощают энергию и охлаждают пространство вокруг себя.
Джарад Мейсон - химик-неорганик и химик материалов из Гарварда, который работает с этими материалами. К таким веществам относятся некоторые типы кристаллов, известные как перовскиты (Per-OV-skytes). Группа Мейсона нашла способ заставить перовскиты высвобождать или поглощать энергию при давлении в десятки или сотни бар, а не тысячи. (Один бар - это среднее давление воздуха на уровне моря). Кроме всего прочего, в новой конструкции группы используются двухмерные перовскиты, а не трехмерные куски кристаллов. Группа поделилась своей разработкой в журнале Nature Communications за май 2022 года.
"Мы думаем, что сможем создать устройства, которые... можно будет использовать как для обогрева, так и для охлаждения", - говорит Мейсон. Сейчас это делают устройства, называемые тепловыми насосами. Но для создания и ослабления давления на барокалорические материалы, вероятно, потребуется меньше энергии, чем для современных систем отопления и охлаждения, говорит Мейсон. В результате новые устройства, созданные на основе перовскитов, скорее всего, будут нуждаться в меньшем количестве электроэнергии. Кроме того, они не будут использовать вредные для окружающей среды охлаждающие жидкости. Сейчас исследователи работают над повышением эффективности охлаждения материалов.
В этом иллюстрированном охлаждающем устройстве используются барокалорические материалы. Изменение давления вызывает повышение или понижение температуры этих материалов.
"Мы думаем, что наша технология будет конкурентоспособной" - стоить примерно столько же, сколько сегодняшние стандартные кондиционеры, - говорит Мейсон.
Другие материалы являются магнитокалорийными (Mag-NEE-toh-kah-LOR-ik). Это означает, что они могут изменять температуру в ответ на воздействие магнитного поля. В магнитном поле молекулы магнитокалорического материала выстраиваются в линию. При этом временно высвобождается энергия, и материал нагревается. Затем наступает пауза, позволяющая материалу приспособиться к температуре окружающей среды. Когда материал удаляется из магнитного поля, его молекулы снова становятся беспорядочными. Когда они становятся беспорядочными, материал поглощает тепло из окружающего его воздуха.
Различные редкоземельные элементы, такие как гадолиний, обладают магнитокалорическими свойствами. Включение или выключение магнитных полей вокруг них - и в нужное время - обеспечит всплески охлаждения. Вода, прокачиваемая вокруг материала, может уносить тепло, поглощенное перепутанными молекулами материала.
"В основе эффекта лежит взаимодействие между этими материалами и магнитным полем", - говорит Виталий Печарский. Материаловед, он работал в Национальной лаборатории Эймса и Университете штата Айова в Эймсе.
По его словам, системы охлаждения, созданные с использованием магнитокалорических материалов, должны потреблять примерно на треть меньше энергии, чем современные кондиционеры для охлаждения воздуха.
"Мы знаем, как разработать устройство", - сказал Печарский в интервью Science News Explores. Но магниты с достаточно сильными магнитными полями для этого дороги. "Если мы сможем разработать лучшие материалы, способные работать в более низком магнитном поле, это позволит [снизить] стоимость".
Пассивное охлаждение
Барокалорические охладители будут нуждаться в электричестве для создания давления на материалы. А магнитокалорические охладители также нуждаются в электричестве для питания магнитных полей. Некоторые другие стратегии охлаждения вообще не требуют электричества. Эти стратегии называются пассивными методами охлаждения.
Например, новое оконное покрытие может защитить от нагревающих солнечных лучей. Покрытие пропускает видимый свет, но блокирует ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Свет в этих диапазонах волн невозможно увидеть. Но инфракрасное излучение ощущается как тепло. А ультрафиолетовое излучение вызывает солнечные ожоги. Новое оконное покрытие также излучает тепло от окна с длиной волны, которая может проходить через воздух и уходить в космос. Все это помогает сохранить воздух в помещении относительно прохладным.
Исследователи из Великобритании разработали еще одно оконное покрытие, выполняющее двойную функцию. В жаркую погоду оно будет блокировать волны ближнего инфракрасного диапазона, которые переносят тепло. В холодную погоду оно пропускает эти волны через окно для обогрева помещения. В любое время окна остаются прозрачными для видимого света. Команда описала свою работу 17 декабря в журнале ACS Photonics.
Зеленые растения, растущие на стенах здания или рядом с ними, являются "пассивной" стратегией сохранения прохлады в здании. Вода является побочным продуктом того, что растения получают пищу из солнечного света. А когда вода испаряется, она охлаждает воздух вокруг растений. Зелень также обеспечивает некоторую тень от солнечных лучей.
Другие подходы к охлаждению предназначены для крыш и стен. Например, Бета Парамита исследовал, как простой слой краски может помочь сохранить прохладу в зданиях без кондиционеров. Парамита - инженер-архитектор в Индонезийском педагогическом университете в Бандунге.
Светлые цвета отражают солнечные лучи лучше, чем темные. Поэтому до и после покраски темных крыш в светлый цвет команда Парамиты измеряла температуру в здании. Они обнаружили, что в зависимости от того, из чего была сделана крыша, светлый цвет может сделать жилое пространство под ней почти на 5 градусов C (около 8 градусов F) холоднее, чем раньше.
Этот проект, известный как Cool Roofs Indonesia, произвел впечатление на судей конкурса Million Roofs Challenge, организованного 2022 Clean Cooling Collaborative. Группа Парамиты заняла первое место и получила приз в размере 750 000 долларов.
Большинство людей, принявших участие в эксперименте Парамиты, почувствовали прохладу после того, как их крыша была окрашена в светлый цвет. Некоторые сказали, что их детям стало легче дышать по ночам. Счета за электричество в некоторых домах даже снизились примерно на 10 процентов, потому что люди не так часто включали вентиляторы.
Оладунни Изобо-Мартинс - исследователь архитектуры. Она работает в Университете Искупителя в Эде, Нигерия. Использование светлых тонов было одним из нескольких моментов, которые она и другие исследователи оценили, изучая новые торговые центры на юго-западе страны.
Группа остановилась на четырех торговых центрах, и только в двух из них хорошо использовались светлые тона. В большинстве из них крыша или свесы немного затеняли помещение. Но у них практически не было изоляции или открывающихся окон. И лишь в немногих из них рядом были тенистые деревья и кустарники. Группа поделилась своими выводами на конференции в октябре 2021 года в Ота, Нигерия.
По словам Изобо-Мартинса, архитекторы часто уделяют больше внимания внешнему виду здания, а не его эксплуатации и уходу за ним. "Мы должны думать о техническом обслуживании. Мы должны думать о влиянии на людей". По ее словам, кондиционеры стоят дорого, поэтому при любой возможности следует использовать пассивное охлаждение. Это может сократить использование ископаемого топлива, которое способствует потеплению климата.
На левой верхней карте показано количество дней с опасной жарой с 1979 по 1998 год. На других картах показано, как это число будет расти к 2050 году при различных сценариях. Три сценария показывают, как климат может отреагировать на низкий, средний и высокий уровни выбросов парниковых газов.
К 2050 году на большей части территории Нигерии ежегодно будет наблюдаться более 50 дополнительных дней опасной жары. В эти дни сочетание жары и влажности будет ощущаться как температура выше 39,4 °C (103 °F). И эта проблема будет характерна не только для Нигерии. Во всем мире количество дней с опасной жарой к концу этого века, вероятно, увеличится в три-десять раз.
Чтобы справиться с потеплением в нашем мире, важно "мыслить нестандартно", говорит Альваренга из Гарварда. В конце концов, отмечает он, решения не должны быть "универсальными".
5.1М
