Model molekuly ethylenkarbonátu (esteru ethylenglykolu a kyseliny uhličité). Atomy uhlíku jsou znázorněné černými kuličkami, vodíku bílými, kyslíku červenými. Kredit: Jynto, Wikimedia Commons, CC0

Zatím jsme si pravé zimy užili jenom pár dnů. I nasněžilo, takže jistě na mnoha místech vyjely sypače se solí. Co se stane, když sůl dopadne na vodu v tuhém skupenství, tedy na led nebo sníh?
Začněme u čisté vody vystavené mrazu. Ten postupně utlumí tepelný pohyb molekul natolik, že se přestanou trhat slabé vodíkové můstky, které v tekutině na prchavý okamžik propojují sousední polární molekuly H₂O, jež se v důsledku chaotického tance k sobě náhodně přiblížily. Začne se vytvářet pravidelná vnitřní struktura pevného ledu. Toto uvěznění molekul do krystalické mřížky, tedy tuhnutí, je dějem exotermickým, do okolí uvolňuje přebytečné teplo.

Ilustrativní schema. Kredit: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Když však na povrch ledu nasypeme sůl, začne se na vlhkém sublimujícím povrchu pomalu rozpouštět. Ve vznikajícím roztoku disociované ionty Cl^- a Na⁺ pak narušují slabé, ale do té doby chladem stabilizované vodíkové můstky mezi kyslíky a vodíky sousedních vodních molekul a samy se vážou k jejich  opačně polarizovaným oblastem. Krystalická mřížka se rozpadá a led se mění na solný roztok i při nízkých teplotách – v laboratorních podmínkách až do -16 °C za běžného tlaku. Nicméně v zimě by se silnice při teplotách pod -7 °C solit chloridem sodným prý neměly.

Vždy, když dochází k tání ledu, z mřížky osvobozené molekuly odebírají ze svého okolí energii na svůj obnovený chaotický pohyb, čímž prostředí ochlazují. Tento směr fázového přechodu je tedy dějem endotermickým. Paradoxně tedy solí posypaný led nejen začne tát, ale zároveň se i ochladí. Představte si ale, že ze vzniklého podchlazeného solného roztoku (který má vzhledem na destilovanou vodu nižší teplotu tání, vyšší teplotu varu a nižší tepelnou kapacitu) ionty sodíku a chlóru odstraníte. Zbyde čistá voda, která při okolní nízké teplotě  rychle zmrzne v led a energie se vyzáří. Takže přidáním soli se led ochladí a roztopí, odstraněním iontů soli z výsledného roztoku se opět vytvoří, přičemž se ale ohřeje. Samozřejmě tento cyklus funguje jen v jistém teplotním rozmezí.

Jeden z autorů, Ravi Prasher, zástupce ředitele Laboratoře energetických technologií Berkeley Lab a odborný asistent na Katedře strojního inženýrství Kalifornské univerzity v Berkeley. Kredit: Berkeley Lab

Bylo by však možné popsaný fyzikální jev využít komerčně na cílené chlazení, nebo naopak ohřev? Odpověď zní ano, i když voda a sůl nejsou těmi správnými chladícími médii a nám sloužily jenom jako příklad, s nímž máme nějakou zkušenost.

Ravi Prasher a jeho doktorand Drew Lilley z kalifornské Lawrenceovy národní laboratoře v Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory, zkráceně Berkeley Lab) v článku zveřejněném v posledním loňském vydání časopisu Science popsali tento iontokalorický chladicí cyklus, který má potenciál v chladničkách nahradit kompresorový systém využívající hydrofluorované uhlovodíky, jakým je například tetrafluorethan.

Prasher a Lilley navrhli reverzibilní proces využívající namísto vody a kuchyňské soli silně polární rozpouštědlo ethylenkarbonát a jodid sodný. Ethylenkarbonát, označovaný zkratkou EC, je uhličitanový ester ethylenglykolu se sumárním vzorcem C₃H₄O₃, strukturním (CH₂O)₂CO. Obsahují ho například elektrolyty lithiových a lithium-iontových baterií. Za pokojové teploty jde o čirou, nepáchnoucí, ve vodě částečně rozpustnou krystalickou látku, která, když je chemicky čistá, taje při teplotě 36,4 °C. Tato teplota však výrazně klesne, když se EC smíchá s vhodnou solí, ve zmíněné studii je ní jodid sodný, NaI – bílá, ve vodě rozpustná krystalická látka.

Spustit animaci

Animace ve zkratce znázorňuje iontokalorický cyklus v akci. Když se elektrodialýzou z roztoku odstraní ionty rozpuštěné soli, čisté rozpouštědlo (voda, ethylenkarbonát) změní skupenství, vykrystalizuje v pevnou látku a uvolní teplo. Kredit: Jenny Nuss, Berkeley Lab

Podobně jako u posoleného vodního ledu, dojde ve směsi EC a NaI k poklesu teploty tání, ke změně skupenství na kapalné a k ochlazení výsledného roztoku. Jenže aby se mohl cyklus uzavřít, je nevyhnutné ionty jodu a sodíku odstranit. Separace je však složitější než smíchání, to poznala již Popelka. V publikované studii autoři roli pohádkových holubů svěřili elektrodialýze – způsobu, jímž se odstraňují ionty rozpuštěné soli z jejího roztoku pomocí elektrického potenciálu a dvou speciálních iontovýměnných membrán. Jedna vlivem jednosměrného proudu selektivně propouští aniony směrem ke katodě, zatímco ta druhá kationy směrem k anodě. Výslednému, opětovně chemicky čistému rozpouštědlu, v našem případě ethylenkarbonátu, stoupne bod tání na původní hodnotu a vykrystalizuje. Tím uvolní energii a okolí zahřeje.

V prvním experimentálním cyklu vědci dosáhli až 25stupňového teplotního rozdílu při napětí jenom asi 0,22 V. V dalších to sice bylo o něco méně, protože elektrodialýza jodid z ethylenkarbonátu zcela neodstraní, protože dojde k jeho krystalizaci. Nicméně ty následující cykly k nežádoucímu stopovému zbytku soli nepřidávají další, vytvoří se jistá rovnováha.

Jde bezpochyby o zajímavou metodu, která funguje v právě vhodném teplotním rozmezí - kolem pokojové teploty, na rozdíl například od nízkoteplotních magnetokalorických procesů, s nimiž se také léta experimentuje. Autoři studie tvrdí, že „jejich“ iontokalorické chlazení dokáže plně konkurovat, a dokonce i předčit běžně používané způsoby využívající cykly komprese a dekomprese plynů, jež jsou ale z ekologického hlediska nežádoucí. Samozřejmě, že nás spotřebitele by nejvíc zajímalo srovnání energetické náročnosti obou systému při komerčním použití. Snad to vyplyne z další fáze výzkumu. Kalifornští vědci zatím poukazují zejména na ekologickou stránku a nulovou až mínusovou uhlíkovou stopu, protože ethylenkarbonát se vyrábí z ethylenoxidu a oxidu uhličitého. Dalším, pro grantové komise přesvědčivým argumentem je dohoda podepsaná loni, na summitu ReEnergy Africa 2022 ve rwandském Kigali zástupci 145 států včetně USA. Smluvní strany se v ní zavázali kromě jiného i k 80% snížení výroby a spotřeby částečně fluorovaných uhlovodíků (HFC) v příštích 25 letech.

Budou ti mladší z nás za nějakých dvacet let používat chladničku nebo klimatizaci fungující například na ionto-, magneto-, nebo elektrokalorickém jevu? A jezdit na elektromobilech? Nebo svět lidí bude vypadat zcela jinak, než si nyní představujeme nebo dokonce plánujeme?

Video: Perspektivní chladicí systém využívající iontokalorický cyklus.

Literatura

Science (volně přístupný jen doplňkový materiál), Berkeley Lab