[ad_1]
Modyfikując lodówkę powszechnie używaną zarówno w badaniach, jak i przemyśle, naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) drastycznie skrócili czas i energię potrzebną do schłodzenia materiałów do kilku stopni powyżej zera bezwzględnego. Naukowcy twierdzą, że ich prototypowe urządzenie, które obecnie pracują nad komercjalizacją z partnerem przemysłowym, może rocznie zaoszczędzić około 27 milionów watów mocy, 30 milionów dolarów globalnego zużycia energii elektrycznej i wystarczającą ilość wody chłodzącej do wypełnienia 5000 basenów olimpijskich.
Od stabilizacji kubitów (podstawowej jednostki informacji w komputerze kwantowym) po utrzymywanie właściwości nadprzewodzących materiałów i utrzymywanie teleskopu kosmicznego Jamesa Webba NASA w wystarczająco niskiej temperaturze, aby obserwować niebo, ultrazimne chłodzenie jest niezbędne do działania wielu urządzeń i czujników. Przez dziesięciolecia chłodziarka z lampą impulsową (PTR) była głównym urządzeniem do osiągania temperatur tak niskich, jak próżnia w przestrzeni kosmicznej.
Lodówki te cyklicznie sprężają (ogrzewają) i rozprężają (chłodzą) gazowy hel pod wysokim ciśnieniem, aby osiągnąć „Wielki Chłód”, zasadniczo analogicznie do sposobu, w jaki domowa lodówka wykorzystuje transformację freonu z cieczy w parę do usuwania ciepła. Przez ponad 40 lat PTR udowodnił swoją niezawodność, ale jest również energochłonny, zużywając więcej energii elektrycznej niż jakikolwiek inny element eksperymentu ultraniskotemperaturowego.
Kiedy badacz NIST Ryan Snodgrass i jego koledzy przyjrzeli się bliżej lodówce, odkryli, że producenci zbudowali urządzenie tak, aby było energooszczędne tylko w końcowej temperaturze roboczej wynoszącej 4 kelwiny (K), czyli 4 stopnie powyżej zera bezwzględnego. Zespół odkrył, że lodówki te są wyjątkowo nieefektywne w wyższych temperaturach – co jest dużym problemem, ponieważ proces schładzania rozpoczyna się w temperaturze pokojowej.
Podczas serii eksperymentów Snodgrass, wraz z naukowcami z NIST Joelem Ullomem, Vincentem Kotsubo i Scottem Backhausem, odkryli, że w temperaturze pokojowej gazowy hel znajdował się pod tak wysokim ciśnieniem, że jego część była przetłaczana przez zawór nadmiarowy zamiast być wykorzystywana do chłodzenia. Zmieniając mechaniczne połączenia między sprężarką a lodówką, zespół zapewnił, że żaden hel nie zostanie zmarnowany, co znacznie poprawiło wydajność lodówki.
W szczególności naukowcy stale regulowali serię zaworów, które kontrolują ilość helu przepływającego ze sprężarki do lodówki. Naukowcy odkryli, że gdyby pozwolili zaworom na większe otwarcie w temperaturze pokojowej, a następnie stopniowo je zamykali w miarę postępu chłodzenia, mogliby skrócić czas schładzania do połowy do jednej czwartej tego, co jest obecnie. Obecnie naukowcy muszą czekać dzień lub dłużej, aż nowe obwody kwantowe będą wystarczająco zimne, aby można je było przetestować. Ponieważ postęp badań naukowych może być ograniczony przez czas potrzebny do osiągnięcia temperatur kriogenicznych, szybsze schładzanie zapewniane przez tę technologię może mieć szeroki wpływ na wiele dziedzin, w tym na obliczenia kwantowe i inne obszary badań kwantowych. Technologia opracowana przez zespół NIST może również pozwolić naukowcom na zastąpienie dużych lodówek z lampami impulsowymi znacznie mniejszymi, które wymagają mniej infrastruktury pomocniczej, powiedział Snodgrass.
Zapotrzebowanie na te lodówki znacznie wzrośnie wraz z rozwojem badań nad obliczeniami kwantowymi i ich zależnością od technologii kriogenicznej. Zmodyfikowany PTR pozwoliłby zaoszczędzić znacznie więcej pieniędzy, energii elektrycznej i wody chłodzącej. Oprócz wspierania rozwijającej się gospodarki kwantowej, urządzenie przyspieszyłoby również badania, ponieważ naukowcy nie musieliby już czekać dni lub tygodni na schłodzenie kubitów i innych komponentów kwantowych.
[ad_2]