Kui panna kannutäis kuuma vett köögilauale, jahtub see aeglaselt maha. Tavaliselt ei lange aga vee temperatuur laua temperatuurist madalamale. Just see igapäevane nähtus ja lihtne katse illustreerib teist termodünaamika seadust, mille kohaselt, lihtsustatult öeldes, soojus saab iseenesest kanduda üle ainult soojemalt kehalt külmemale ja mitte vastupidi.

Jahutamine allapoole ümbritseva keskkonna temperatuuri

Zürichi ülikooli füüsikateaduskonna uurimisgrupi poolt professor Andreas Schillingu juhtimisel hiljuti läbi viidud eksperimendi tulemused aga paistavad esmapilgul pööravat selle termodünaamika seaduse pea peale.

Teadlastel õnnestus jahutada üheksa grammine vasetükk, mis oli algselt 100 kraadise temperatuuriga, allapoole ümbritseva ruumi temperatuuri ilma, et selleks oleks pidanud kasutama energiat väljaspoolt.

"Põhimõtteliselt tähendab see seda, et eksperimentaalne seade võimaldab muuta keeva vee jääks ilma energiat kasutamata," ütles Schilling.

Termodünaamiline maagia seisnebki selles, et seniste arusaamade kohaselt ei ole materjali jahutamine alla ümbritseva keskkonna temperatuuri võimalik ilma kõrvalise abita, st täiendava enerigata.

Ostsilleeruvate soojuslainete loomine

Et sellist tulemust saavutada, kasutasid teadlased Peltieri elementi, mis on tavaline vahend näiteks hotellitubades olevate minibaaride jahutamiseks. Elektrivoolust saadav energia loob seal temperatuurierinevuse.

Maagilise tulemuse saavutamiseks loodi aga termoinduktor, mis koosneb ideaalsest elektrilisest induktorist ja Peltieri elemendist, mis kokku loovad suletud vooluringi.

Kui elektrivool kandub läbi seadme, soojus kas tekib või neeldub vastavalt elektrivoolu suunale.

Kui nüüd siia juurde võtta kehad, millest ühel on soojusmahutavus ja teises akumuleerunud soojus ning ühendada need termiliselt Peltieri elemendi vastaspooltega tekib termoülekanne.

Kogu eksperimendi olemus graafiliselt kujutatuna
Foto: Zürichi ETH ülikool

Just induktsioon on see, mis paneb temperatuurierinevuse kehade vahel poolt muutma ja annab inertsi nendevahelisele soojusülekandele. Ühtlasi ajab induktsioon jahtuva keha soojust püsivalt soojema vastaspoole suunas. Kuna vooluring on suletud, ei ole vaja välist energiaallikat.

See, kust tuleb energia ja kuidas on lood teiste füüsikaseadustega nagu näiteks energia jäävuse seadus, on eksperimendi maagia pool. Keda huvitab täpne eksperimendi sisu ja termoinduktori köögipool, saab sellest täpselt lugeda ajakirjast Science Advanced.

Füüsikaseadusi siiski ei rikuta

Kuni uue avastuseni viinud katseni oli tegeletud võnkuvate soojusringlustega ehk soojusülekande suuna muutmisega üksnes kõrvalist energiaallikat kasutades.

Nüüd näitasid teadlased oma eksperimendiga, et selline soojusringlus saab toimida ka passiivselt ehk siis ilma välise energiaallikata.

Soojusvõnkumised toimusid seadmes ka ilma lisaenergiata ja mõne aja möödudes kandus soojus otse külmemalt vasetükilt soojemale alale, ilma et see oleks vahepeal ajutiselt muuks energiavormiks muundunud.

Sellest hoolimata näitasid autorid ära ühtlasi selle, et nähtus ei riku ühtegi teadaolevat füüsikaseadust. Kui vaadata kogu süsteemi entroopiat, siis see hakkas ajaga kasvama, mis omakorda on täielikus kooskõlas termodünaamika teise reegliga.

Reaalne kasutus on siiski veel kaugel

Kuigi uurijad registreerisid ainult kahekraadise erinevuse ümbritsevast keskkonnast, oli see peamiselt tingitud katsel kasutatud Peltieri elemendi piiratud võimsusest.

Schillingu sõnul on teoorias võimalik avastatud meetodiga jahutada samades tingimustes kehad temperatuurierinevuseni -47 kraadi, kui saaks kasutada ideaalset Peltieri elementi. Häda on selles, et selline element tuleb alles leiutada: "Selle väga lihtsa tehnoloogiaga saaks jahutada suured kogused tahket, vedelat või gaasilist materjali tublisti allapoole ümbritseva keskkonna temperatuuri, ilma energiat kasutamata."

Passiivset termoringlust saaks ühtlasi kasutada nii tihti kui vaja, ilma et seda oleks vaja ühendada ühegi energiaallikaga. Suuremas mõõtkavas jahutamine jääb praegu aga selle taha, et olemasolevad Peltieri elemendid ei ole piisavalt efektiivsed. Ja siit edasi - elektrikadude minimeerimiseks oleks vaja ülijuhtivaid induktoreid.

Maailmast saaks parem paik, kui asi suures mõõtkavas tööle hakkaks

Erinevate asjade jahutamine on üks energiamahukamaid protsesse maamunal ning praegu kasutusel olevad seadmed on lisaks energiatarbimisele ka suurim kasvuhoonegaaside emiteerija.

Aastaid tagasi olid konditsioneerid ja külmkapid süüdi osoonikihi hävinemises: sest CFC ja HCFC nimeline sodi nendes seadmetes kippus lekkima ja sõi osoonikihti.

Aastal 1987 Montreali Protokolliga nimetatud ained keelati, aga tulemus oli mõneti räästa alla lükkamise sarnane. Nimelt HFC, mis on peamine osooninärijate asendus, säästab küll osoonikihti, aga aine on kuni 9000 korda "tõhusam" kasvuhoonegaas, kui süsihappegaas.

Seega, osooni näriv aine asendati atmosfääri kütva ainega, aga ainete sattumine atmosfääri on ikka kontrolli alt väljas.

Ainuüksi külmikute ja konditsioneeride lekkimise kontrolli alla saamisega saaks vähendada atmosfäärist kasvuhoonegaase umbes 90 miljardi tonni võrra aastaks 2050.