Po trzech latach rekordowych upałów, ten rok zapowiada się na kolejny skwar. Klimatyzacja? Nie zniknie. Międzynarodowa Agencja Energetyczna prognozuje, że liczba jednostek klimatyzacyjnych potroi się do 2050 roku. To dobrze dla zdrowia – badanie Lancet oszacowało, że klimatyzacja zapobiegła prawie 200 000 przedwczesnych zgonów w samym 2019 roku – ale źle dla planety. Sztuczny chłód już odpowiada za 7% globalnego zużycia energii elektrycznej i 3% emisji gazów cieplarnianych, a jeśli jednostki są niewłaściwie utylizowane, mogą wyciekać czynniki chłodnicze o większym potencjale globalnego ocieplenia niż dwutlenek węgla.

Czując presję, wielu naukowców i startupów ma nadzieję na wzmocnienie chłodzenia półprzewodnikowego, które obecnie jest stosowane na małą skalę, np. w mini lodówkach, akumulatorach EV i niektórych wysokiej klasy komputerach do gier. Tradycyjne klimatyzatory przenoszą ciepło za pomocą sprężarki i wentylatora, które cyrkulują czynnik chłodniczy, przekształcając go z cieczy w gaz. Systemy półprzewodnikowe natomiast przenoszą ciepło przez materiały przewodzące, takie jak gadolin i tellurek bizmutu – co teoretycznie mogłoby chłodzić przestrzenie i powierzchnie z mniejszą liczbą niechlubnych skutków ubocznych.

Haczyk polega na tym, czy mogą dorównać wydajności konwencjonalnych klimatyzatorów. „Jednym z kluczowych pytań pozostaje, dlaczego chłodziarki półprzewodnikowe nie są tak wydajne jak typowe cykle termodynamiczne” – mówi Pramod Reddy, profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Michigan, który bada przenoszenie ciepła.

Trwają badania i programy pilotażowe mające na celu przetestowanie różnych podejść. Firma Mimic Systems z Brooklynu wykorzystuje chłodzenie termoelektryczne, które przepuszcza prąd przez materiały półprzewodnikowe, aby przenosić ciepło z jednej strony na drugą. Jej system klimatyzacji w skali pokoju jest testowany w mieszkaniu w Vancouver. Niemiecka firma Magnotherm ma przetestować swój system, oparty na układzie magnetokalorycznym, który przenosi ciepło poprzez magnesowanie i rozmagnesowywanie materiałów, w sieci supermarketów. Zespół z Hongkongu ogłosił, że jego urządzenie elastokaloryczne, którego materiał nagrzewa się i ochładza podczas rozszerzania i kurczenia, może osiągnąć temperaturę poniżej 0°C. A brytyjska firma Barocal stawia na systemy barokaloryczne, które zmieniają temperaturę w odpowiedzi na zmiany ciśnienia.

Ale eksperci, zwłaszcza w dziedzinie termoelektryków, mają wątpliwości co do tego, jak dobrze jakikolwiek system półprzewodnikowy może konkurować. Dla większości nowoczesnych systemów HVAC współczynnik wydajności (COP) wynosi 3, wyjaśnia Jeff Snyder, profesor Northwestern University, który bada przewodnictwo elektryczne i cieplne. To zasadniczo oznacza, że system przenosi trzy jednostki ciepła na każdą jednostkę energii, która do niego trafia. Termoelektryki w szczególności mają tendencję do znacznie niższej wydajności przy dużych zmianach temperatury, mówi Snyder, co oznacza, że najlepiej nadają się do niszowych zastosowań, takich jak chłodzenie oparcia fotela samochodowego.

Jednak wydajność to nie wszystko, argumentuje Lindsay Rasmussen, menedżerka w akceleratorze technologii klimatycznych Rocky Mountain Institute Third Derivative, który wspiera zarówno Magnotherm, jak i Mimic. W USA większość obecnie używanych klimatyzatorów wykorzystuje czynnik chłodniczy R410A, który ma potencjał globalnego ocieplenia ponad 2000 razy większy niż dwutlenek węgla. Ponadto ich ruchome części mogą czynić je mniej trwałymi, zwłaszcza w porównaniu z modelem półprzewodnikowym, który jest mniej skomplikowany mechanicznie.

Niemniej jednak brak jednostek utrudnia odpowiedź na pytanie o wydajność. Aby zrozumieć, jak dobrze działają alternatywy, mówi Rasmussen, naukowcy muszą porównać ich długoterminowe zużycie energii z konwencjonalnymi modelami, zamiast po prostu patrzeć na COP. Mimic twierdzi na przykład, że jego model w skali pokoju powinien dorównywać poborowi typowej jednostki klimatyzacyjnej w ciągu roku. Systemy elastokaloryczne i barokaloryczne również mają potencjał, dodaje Rasmussen, ale prototypy w skali pokoju są prawdopodobnie oddalone o dwa do trzech lat.

W ostatecznym rozrachunku prawdopodobieństwo, że chłodzenie półprzewodnikowe zastąpi klimatyzatory ze sprężarką, jest niewielkie. Ale gdy planeta się ociepla, a miejsca takie jak Indie instalują dziesiątki milionów nowych klimatyzatorów w ciągu najbliższej dekady,