Транспортировка газов и обеспечивающие ее технологии являются важнейшими вопросами мировой экономики и технологического развития. Наиболее широко используется трубопроводная транспортировка и транспортировка газов в сжиженном состоянии. При перемещении на большие расстояния (больше 2,5 тыс. км) транспортировка сжиженных газов часто оказывается более экономичной.

В настоящее время процесс производства сжиженного природного газа является очень дорогим и неэкологичным. В существующих рабочих технологиях рабочим телом для технологий сжижения газа является сам газ. При этом в процессе сжижения теряется до четверти первоначального объема газа: то есть на сжижение трех тонн газа приходится израсходовать целую тонну. Иными словами, в процессе сжижения газа происходят очень большие потери ценного сырья.

Группа ученых института Радиотехники и Электроники им. В. А. Котельникова РАН под руководством молодого ученого — старшего научного сотрудника Лаборатории физики магнитных явлений Алексея Маширова трудится над созданием оригинальных методов охлаждения и сжижения газов на основе применения твердотельных материалов и сильных магнитных полей в рамках проекта Российского научного фонда.

В лаборатории ИРЭ РАН, как и во многих лабораториях мира, исследуется перспективная технология твердотельного магнитного охлаждения на основе магнетокалорического эффекта. Суть этого эффекта заключается в том, что при резком изменении внешнего магнитного поля уменьшается температура магнитного материала, который можно использовать как охлаждающий элемент. Наибольшим магнетокалорическим эффектом обладают соединения редкоземельных металлов, например, диспрозия и гадолиния.

Исследователи изучают перспективную технологию твердотельного магнитного охлаждения на основе магнетокалорического эффекта.

Старший научный сотрудник ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН Светлана Вячеславовна фон Гратовски рассказала: «Чем перспективно твердотельное охлаждение? Если для охлаждения применяется твердотельное рабочее тело, то в процессе охлаждения твердое тело никуда не испаряется, а остается для дальнейшего использования в пределе на бесконечное количество циклов. При этом не происходит безвозвратной потери почти 25% ценного газового сырья».

«Другое преимущество твердотельного охлаждения, по сравнению с газовым или газожидкостным, заключается в том, что твердые тела обладают большей теплоемкостью и проявляют более высокую обратимость процессов преобразования энергии, чем газы. Ожидается, что твердотельное магнитное охлаждение сможет в будущем заменить традиционные методы охлаждения на основе расширения газов», — объяснила она.

«Для оценки эффективности технологий охлаждения и сжижения газов существует свой особый „золотой стандарт“ — коэффициент эффективности процесса, некий аналог коэффициента полезного действия, который уже двести лет назад открыл французский ученый Сади Карно. Чем выше коэффициент эффективности процесса, тем выше «энергетическое совершенство» создаваемой технологии. Группа под руководством Маширова занята поиском таких процессов, материалов и созданием на их основе прототипов криогенных холодильников, параметры которых были бы наиболее близки к устройству, обеспечивающему энергетическое совершенство», — разъяснила Светлана Вячеславовна.

Для создания экономичных источников сильных магнитных полей для твердотельных холодильников ученые под руководством Алексея Маширова решили применить в одном устройстве сразу два класса новых твердотельных материалов, совместить сразу две прорывные технологии.

Наряду с магнитными материалами с магнетокалорическим эффектом, есть еще одна прорывная технология, на основе другого класса уникальных материалов, на основе уже другого редкоземельного металла — иттрия. Некоторые материалы на его основе — высокотемпературные сверхпроводники — обладают удивительной способностью терять электрическое сопротивление при охлаждении ниже температуры кипения жидкого азота — 192 °С. При температурах ниже этой в них возникает сверхпроводимость.

Производство проводов и кабелей из таких высокотемпературных сверхпроводников освоено отечественной промышленностью. В работе ИРЭ РАН предлагается соединить сразу две новые перспективные технологии: технологию высокотемпературных сверхпроводников, позволяющую генерировать сверхсильные магнитные поля (до сотен тысяч эрстед) с малыми затратами электроэнергии и явление магнитного охлаждения на основе редкоземельных магнитных сплавов.

В ходе проекта исследователями создан и испытан прототип магнитокалорического криогенного рефрижератора, работающего при помощи технологии твердотельного магнитного охлаждения в сильных магнитных полях до 100 000 эрстед. Новая технология по энергетическим параметрам не уступает зарубежным прототипам. Исследователи продолжают работу в направлении поиска оригинальных конструктивных решений и подбора материалов, так называемых термических интерфейсов, необходимых для повышения холодопроизводительности перспективного твердотельного магнитного криогенного холодильника.

Также фон Гратовски отметила: «Пока еще никто в мире не достиг „энергетического совершенства“. Достигнет ли его кто-то в XXI веке? История дает очень большую надежду, что российская группа из ИРЭ РАН достигнет его. Российская группа одна из немногих в мире пошла по пути оценки своих результатов именно с точки зрения „энергетического совершенства“, введенного Сади Карно, названного в честь персидского поэта-суфия Саади Ширази. И именно в Иране уже более двух с половиной тысячелетий назад были созданы бадгиры — самые древние кондиционеры-охладители, которые эффективнее современных».

Кроме избавления домов от жары, бадгиры использовались также для охлаждения подземных каналов и хранилищ с водой. Их эффективность была настолько велика, что вода в подземных хранилищах охлаждалась почти до температуры замерзания — она была не просто холодной, а ледяной в самом сердце пустыни.

Бадгиры — это и есть эффективные природоподобные зеленые энергетически тепловые машины древнего мира. Внутри бадгиры разделены на несколько частей перегородками из необожженного кирпича или дерева. Своей гибридной технологией, каскадностью охлаждения, долговечностью, экологичностью и многим другим багдиры напоминают технологии, разрабатываемые в ИРЭ РАН.

Создание технологии безопасного и дешевого сжижения и охлаждения газообразного топлива, прежде всего водорода и природного газа, очень актуально. Предполагается, что технология должна максимально эффективно использовать энергию и меньше загрязнять атмосферу.