Veliki iskorak u jeftinom kriohlađenju

Modificiranjem hladnjaka koji se obično koristi u istraživanju i industriji, istraživači s američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) drastično su smanjili vrijeme i energiju potrebnu za hlađenje materijala na nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule.

Znanstvenici kažu da bi njihov prototip uređaja, na čijem komercijaliziranju sada rade s industrijskim partnerom, mogao godišnje uštedjeti procijenjenih 27 milijuna vata energije u vrijednosti od 30 milijuna dolara globalne potrošnje električne energije i dovoljno rashladne vode za punjenje 5000 olimpijskih bazena.

Od stabilizacije kubita (osnovne jedinice informacija u kvantnom računalu) do održavanja supravodljivih svojstava materijala i održavanja NASA-inog svemirskog teleskopa James Webb dovoljno hladnim za promatranje neba, ultrahladno hlađenje je bitno za rad mnogih uređaja i senzora.

Desetljećima je pulsni cijevni hladnjak (PTR) bio radni uređaj za postizanje temperatura niskih poput vakuuma svemira.

Ovi hladnjaci ciklički komprimiraju (griju) i ekspandiraju (hlade) visokotlačni plin helij kako bi postigli "veliko hlađenje", općenito analogno načinu na koji kućni hladnjak koristi transformaciju freona iz tekućine u paru za uklanjanje topline.

Tijekom više od 40 godina, PTR je dokazao svoju pouzdanost, ali je također gladan energije, jer troši više električne energije od bilo koje druge komponente eksperimenta s ultraniskom temperaturom.

Istraživači NIST-a optimizirali su učinkovitost PTR-a, dramatično smanjujući količinu vremena i energije potrebne za postizanje ultraniskih temperatura, kontinuiranim podešavanjem ventila koji povezuje pulsnu cijev sa spremnikom plinovitog helija.

Kada su istraživač NIST-a Ryan Snodgrass i njegovi kolege pobliže pogledali hladnjak, otkrili su da su proizvođači izradili uređaj da bude energetski učinkovit samo na konačnoj radnoj temperaturi od 4 kelvina (K), ili 4 stupnja iznad apsolutne nule. Tim je otkrio da su ovi hladnjaci iznimno neučinkoviti na višim temperaturama, što je veliki problem jer proces hlađenja počinje na sobnoj temperaturi.

Tijekom niza eksperimenata, tim je otkrio da je na sobnoj temperaturi helij pod tako visokim tlakom da je dio njega propušten kroz sigurnosni ventil umjesto da se koristi za hlađenje. Promjenom mehaničkih veza između kompresora i hladnjaka, tim je osigurao da se helij ne troši uzalud, što je uvelike poboljšalo učinkovitost hladnjaka.

Konkretno, istraživači su neprestano prilagođavali niz ventila koji kontroliraju količinu plina helija koji teče iz kompresora u hladnjak i otkrili da ako dopuste ventilima da imaju veći otvor na sobnoj temperaturi i zatim ih postupno zatvore kako hlađenje napreduje, mogu smanjiti vrijeme hlađenja između polovice i jedne četvrtine sadašnjeg.

Trenutno znanstvenici moraju čekati dan ili više da novi kvantni sklopovi budu dovoljno hladni za testiranje. Budući da napredak znanstvenog istraživanja može biti ograničen vremenom potrebnim za postizanje kriogenih temperatura, brže hlađenje koje pruža ova tehnologija moglo bi široko utjecati na mnoga polja, uključujući kvantno računalstvo i druga područja kvantnog istraživanja.

Tehnologija koju je razvio tim NIST-a također bi mogla omogućiti znanstvenicima da zamijene velike hladnjake s pulsnom cijevi mnogo manjim, koji zahtijevaju manje prateće infrastrukture.

Potreba za ovim hladnjacima uvelike će se povećati kako istraživanje kvantnog računalstva, zajedno s njegovim oslanjanjem na kriogenu tehnologiju, nastavi rasti. Modificirani PTR tada bi uštedio mnogo novca, električne energije i rashladne vode. Osim što podržava rastuću kvantnu ekonomiju, uređaj bi također ubrzao istraživanje jer znanstvenici više ne bi morali čekati danima ili tjednima da se kubiti i druge kvantne komponente ohlade.

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Communications možete pronaći na ovoj poveznici.