عرض التسخين والتبريد المدفوع بالضغط باستخدام مبادل حراري مطلي بإطار عضوي معدني

تحويل الضغط إلى تسخين وتبريد

الحفاظ على راحة المباني دون تسخين الكوكب يمثل تحدياً متزايد الأهمية. كثير من مضخات الحرارة الشائعة لا تزال تعتمد على ضغوط مرتفعة ومواد تبريد قد تضر بالمناخ. تستكشف هذه الدراسة مساراً مختلفاً: استخدام ثاني أكسيد الكربون غير الضار ومادة إسفنجية الشكل لإحداث التسخين والتبريد ببساطة عن طريق تغيير الضغط، وليس بغلي وتكثيف سائل. يظهر العمل في المختبر أن هذه الفكرة ليست مجرد نظرية — يمكنها بسرعة تسخين أو تبريد ماء متدفق بعدة درجات، بضغطات معتدلة نسبياً.

طريقة جديدة لنقل الحرارة

عادة تعمل مضخات حرارة ثاني أكسيد الكربون التقليدية عند ضغوط عالية جداً وظروف فوق الحرجة، مما يجعل المعدات أكثر سمكاً وثقلاً وتعقيداً. بدلاً من ذلك يختبر الباحثون مفهوم نظام هجين تركيبي–امتزازي. في جوهره يوجد مبادل حراري خاص: أنبوب معدني مزود زعانف ومطلي بمادة مسامية تُعرف بالإطار العضوي المعدني، أو MOF. يعمل هذا الـ MOF (المسمى MIL-101(Cr)) كإسفنجة على المستوى النانوي تستطيع امتصاص كميات كبيرة من CO₂ على أسطحه الداخلية. عندما يلتصق CO₂ بالـ MOF تحت ضغط أعلى، يطلق حرارة؛ وعندما ينخفض الضغط ويترك CO₂ السطح، يمتص حرارة. إذا كان الماء يتدفق داخل الأنبوب أثناء هذا التبادل، يمكن تسخين ذلك الماء أو تبريده دون أن يختلط بالغاز أبداً.

كيف يعمل نظام الاختبار

بنَت الفريق تجهيزاً على شكل دورات: المبادل الحراري المطلي بالـ MOF موضوع داخل وعاء ضغط محكم، متصل بضاغط وخزان غاز منفصل. عن طريق رفع ضغط CO₂ بسرعة من 0.8 إلى 3.0 ميغاباسكال، يجبرون CO₂ على الدخول إلى الـ MOF، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الـ MOF ثم تسخين الماء المتدفق عبر الأنبوب. خفض الضغط مجدداً يجعل CO₂ يترك الـ MOF، فيبرد المادة ويبرّد الماء بدلاً من ذلك. في ظروف الاختبار النموذجية — ماء بدرجة حرارة الغرفة يدخل بمعدل تدفق متواضع — غيّر النظام درجة حرارة الماء المخرج بحوالي زائد أو ناقص 9 كلفن (تقريباً زائد أو ناقص 9 °م)، وحدث تقريباً كل امتصاص أو إطلاق CO₂ خلال دقيقتين. نقلت كل دورة حوالي 20 كيلوجول من الحرارة، مع انتقال نحو 81% من تلك الطاقة بنجاح إلى الماء.

ما الذي يتحكم بالأداء

لفهم كيفية تحقيق أقصى استفادة من هذا النهج، غيّر الباحثون عدة ظروف تشغيلية. اتضح أن حجم تقلب الضغط كان هو المحرك الرئيسي لإجمالي التسخين والتبريد: التقلبات الأكبر والضغوط الكلية الأدنى أدت إلى حركة أكثر لـ CO₂ داخل وخارج الـ MOF، وبالتالي تأثيرات حرارية أقوى. تغيير سرعة ارتفاع أو انخفاض الضغط أثر بشكل أساسي على شدة ذروة الحرارة، لا على إجمالي الطاقة المنقولة لكل دورة. وبالمثل، كان لدرجة حرارة ماء الدخول تأثير طفيف فقط، مؤكداً أن المصدر الرئيسي للحرارة هو التصاق CO₂ وتركه للـ MOF، بدلاً من تسخين أو تبريد الغاز نفسه. وعلى النقيض، كان لمعدل تدفق الماء تأثير قوي على القدرة: التدفق الأسرع لم يجعل الماء أكثر سخونة أو برودة عند الذروة بشكل كبير، لكنه قلص زمن الدورة وزاد متوسط قدرة التسخين والتبريد.

نظرة داخل المبادل الحراري

بما أن طبقة الـ MOF والماء يتغيران في درجة الحرارة مع الزمن، فإن صيغ المبادلات الحرارية الثابتة لا تكفي للتنبؤ بالسلوك. لذلك بنى المؤلفون نموذج كمبيوتر مفصّل يحاكي نقل الكتلة والزخم والطاقة في سرير الـ MOF والأنبوب المعدني والماء. قاموا بمعايرة النموذج باستخدام خواص معروفة لـ CO₂ في MIL-101(Cr) وقارنوا توقعاته بقياساتهم. كانت المطابقة جيدة: أعادت المحاكاة إنتاج كيفية تطور درجات حرارة الـ MOF والماء على طول الأنبوب وكيف غيّرت معدلات تدفق الماء المختلفة قدرة التسخين. هذا يعطي ثقة بأن النموذج يمكن استخدامه لتصميم وتحسين الأجهزة المستقبلية دون الحاجة لبناء واختبار كل متغير.

لماذا يهم هذا بالنسبة لمضخات الحرارة المستقبلية

تظهر التجارب والمحاكاة معاً أن امتزاز CO₂ المدفوع بالضغط يمكن أن يوفر تسخيناً وتبريداً مفيدين بثبات عند ضغوط أقل من النقطة الحرجة لـ CO₂، متجنباً بعض تحديات السلامة والتصميم في أنظمة CO₂ عالية الضغط الحالية. يعمل النموذج الأولي بوضعية دورية بدلاً من مستمرة، لكنه يثبت الفيزياء الأساسية ويحدد حدوداً عملية، لا سيما الحاجة لتحسين انتقال الحرارة على جانب الماء من الجهاز. مع تصميم مبادلات أفضل، وأسرّة متعددة تعمل بالتتابع، والاندماج مع التخزين الحراري، قد يؤدي هذا المفهوم إلى فئات جديدة من مضخات الحرارة التي تستخدم CO₂ الصديق للمناخ ومواد مسامية متقدمة لتدفئة وتبريد المنازل والمباني بطريقة أكثر أماناً وكفاءة.

الاستشهاد: Hu, MH., Boccamazzo, F., Shamim, J.A. et al. Demonstrating pressure-driven heating and cooling using a MOF-coated heat exchanger. npj Therm. Sci. Eng. 1, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44435-026-00006-5

الكلمات المفتاحية: مضخة حرارة ثاني أكسيد الكربون, تبريد بالامتزاز, إطار عضوي معدني, تبريد منخفض الضغط, تدفئة وتهوية وتكييف مستدامة