История эта началась на рождественской ярмарке в баварском Розенхайме. Пара друзей дегустировала глинтвейн и всё время расстраивалась: горячительное было или обжигающим, или уже холодным. Тогда-то наши герои задумали раз и навсегда решить «проблему глинтвейна», а заодно и всех других напитков, требующих для достижения наилучшего вкуса строго оптимальной температуры.
Неизвестно, чем кончился бы данный мозговой штурм, если бы двое «дегустаторов» были сапожником и портным, допустим. Но они были физиками. Первый — Клаус Зедльбауер (Klaus Sedlbauer), глава института строительной физики Фраунгофера (Fraunhofer-Institut für Bauphysik), второй — его коллега Герберт Зиннесбихлер (Herbert Sinnesbichler).
Для того чтобы глинтвейн долгое время оставался при «верной» температуре, можно было бы, конечно, приспособить миниатюрный нагреватель с батарейкой и простенькой схемой для контроля. Но авторам будущей «умной кружки» хотелось найти решение попроще и подешевле вроде самонагревающейся банки с кофе или самоохлаждающейся банки с пивом.
Ключом к мечте двух немцев оказались материалы с изменением фазы (phase change material — PCM), хорошо знакомые Клаусу и Герберту по их профильной деятельности — стройматериалам, хотя PCM используются куда более широко: от пищевой, к слову, промышленности до космической техники.
Строго говоря, практически любой материал меняет фазу при достаточном нагреве, охлаждении или изменении давления. Но PCM — это целая группа веществ и смесей, смена между твёрдым и жидким состоянием у которых происходит в удобной для длинного ряда областей применения температурной зоне.
В строительстве PCM задействуют для создания комфортных условий внутри зданий. Капсулы с такими составами внедряют в стены и потолки, которые накапливают излишки тепла днём (на солнце), отдавая его ночью. Блоки с PCM иногда ставят как аккумуляторы холода для оптимизации работы систем кондиционирования. Капсулы с PCM ныне вплетают даже в зимние куртки и спортивные костюмы, дабы стабилизировать температуру внутри на приятном уровне.
А работают материалы PCM очень просто. При остывании, дойдя до температуры начала кристаллизации, они начинают выделять скрытую теплоту плавления, долгое время не позволяя себе и контактируемым с ними предметам охладиться ниже этой отметки. До тех пор пока не затвердеет последняя капля PCM. При нагреве всё происходит в обратном порядке — температура чудо-состава не поднимется выше точки плавления, пока не расплавятся последние остатки в порции такого «теплового» аккумулятора.
На единицу объёма PCM могут хранить до 14 раз больше тепловой энергии, чем горячая вода или кирпичная кладка. Но главное — разнообразие этого класса материалов позволяет произвольно подобрать температуру работы, ту самую, которую PCM будут «изо всех сил» стараться поддерживать на одном уровне. А уж что нужно будет греть — не так уж и важно.
«Горячие напитки, кофе или чай, лучше всего употреблять при 58 градусах Цельсия, — говорит Зедльбауер. — Для того чтобы достичь этой температуры и поддерживать её, мы наполняем кружку PCM, который становится жидкостью ровно при 58 градусах». Конечно, PCM с напитком не должны контактировать напрямую, так что кружку пришлось сделать с двойными стенками и дном. Но новинка от Клауса и Герберта — не просто два вложенных один в другой цилиндра.
Полость между стенками содержит множество изогнутых лент из материала с высокой теплопроводностью (алюминий, но может быть и иной металл), между ними залит отобранный изобретателями PCM (нечто похожее на воск). А внешние стенки кружки её авторы решили покрыть тонким слоем дополнительной теплоизоляции — пластиком и/или керамикой, дабы быть уверенными, что PCM будет отдавать энергию напитку, а не воздуху, и ценное содержимое сосуда начнёт заметно остужаться только после того, как весь PCM отработает свою задачу.
Итак, действие кружки начинается после того, как в неё залили кипяток (только что заваренный чай, к примеру, или чрезмерно подогретый глинтвейн). Тепло от жидкости начинает быстро переходить к PCM, в результате чего слишком горячий чай остывает, а PCM плавится.
Однако при «попытке» дальнейшего охлаждения с чаем происходит удивительная метаморфоза — медленно застывающий PCM теперь уже отдаёт забранное ранее тепло, удерживая содержимое кружки точно на отметке 58 °C. «В идеальных обстоятельствах, — утверждает Зедльбауер, — оптимальная температура может поддерживаться в течение 20-30 минут».
Зиннесбихлер же добавляет, что аналогичную технологию можно применить для чаш, в которых подают мороженое, или для кружек, предназначенных для холодных напитков. Только для каждого продукта должна быть своя «стабилизирующая» кружка. Герберт поясняет, что пиво вкуснее всего при плюс 7 градусах, а мороженое — при минус 12. «Так что вы должны сделать чашки или кружки, которые заполнены материалом PCM, плавящимся именно при этих температурах».
Ничего не напоминает? Да ведь традиционные кубики со льдом в бокале с коктейлем — тот же PCM, стремящийся удержать температуру напитка до тех пор, пока весь не растает. Да и "Ледяной медведь" с его двумя тоннами замороженной воды по сути – то же самое. PCM просто могут быть более эффективными и ещё позволяют «настраивать» себя.
«Интеллигентная чашка для кофе» — достойное дополнение к кружке, которая сама размешивает кофе, или ёмкости, которая позволяет пить кофе в невесомости. А учитывая сравнительную простоту конструкции и доступность PCM — потенциально массовое.
Пара любителей глинтвейна не берётся судить, какова окажется цена на такую необычную посуду. Но немецкие физики уже вели переговоры с рядом промышленных компаний. «Если мы сможем найти партнёра для совместной работы, первые серийные кружки могут появиться в продаже уже к концу этого года», — утверждает Зедльбауер.
