مواد فوق العاده خنکی که گرما را به فضا می فرستند

رنگ‌ها، پلاستیک‌ها و حتی چوب را می‌توان طوری مهندسی کرد که در زیر نور مستقیم خورشید خنک بمانند - اما نقش آنها در جابجایی دستگاه‌های تهویه مطبوع انرژی‌زا نامشخص است.

تصویری حرارتی از یک پانل با پوشش «فوق العاده خنک» در خارج از دانشگاه کلمبیا در شهر نیویورک. اعتبار: جیوتیرموی ماندال

زمانی که تاجر هوارد بیسلا وظیفه نجات یک مغازه محلی از خرابی مالی را بر عهده گرفت، یکی از اولین نگرانی های او بهینه سازی انرژی بود. در ژوئن 2018، او با ارائه دهنده برق محلی خود در ساکرامنتو، کالیفرنیا، در مورد ارتقاء چراغ ها تماس گرفت. ارائه دهنده ایده دیگری داشت. پیشنهاد نصب یک سیستم خنک‌کننده آزمایشی را ارائه کرد: پانل‌هایی که می‌توانستند سردتر از محیط اطراف خود باقی بمانند، حتی در زیر آفتاب سوزان داغ، بدون مصرف انرژی.

پانل های پشت آلومینیومی اکنون روی سقف مغازه قرار گرفته اند و سطوح آینه ای آن ها با یک لایه خنک کننده نازک پوشیده شده و به سمت آسمان زاویه دارند. آنها مایع را در لوله های زیر که به داخل مغازه می رود خنک می کنند و همراه با چراغ های جدید، قبض برق را تا حدود 15 درصد کاهش می دهند. Bisla می گوید: «حتی در یک روز گرم، آنها گرم نیستند.

پانل های فوق العاده جالب روی پشت بام مغازه ای در ساکرامنتو، کالیفرنیا. اعتبار: آسوات پطابی رامان

این پانل ها از یک کشف در دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا پدید آمدند. در سال 2014، محققان آنجا اعلام کردند که ماده‌ای ساخته‌اند که در مقابل نور مستقیم خورشید سردتر از محیط اطراف خود باقی می‌ماند . دو عضو تیم، شانهوی فن و آسوات رامان، به همراه همکارش الی گلدشتاین، یک شرکت نوپا، SkyCool Systems را تأسیس کردند و پنل‌های Bisla را تامین کردند. از آن زمان، آنها و سایر محققان مواد مختلفی از جمله فیلم ها، رنگ های اسپری و چوب تصفیه شده ساخته اند که در گرما خنک می مانند.

این مواد همگی متکی به افزایش اثر ریزش حرارت طبیعی هستند که به عنوان خنک کننده تابشی غیرفعال شناخته می شود. هر فرد، ساختمان و شیء روی زمین گرما از خود ساطع می کند، اما اتمسفر پتو مانند سیاره بیشتر آن را جذب می کند و آن را بازتاب می دهد. پرتوهای مادون قرمز بین 8 تا 13 میکرومتر در طول موج، توسط جو جذب نمی شوند و زمین را ترک می کنند و به فضای سرد خارج می شوند. در دهه 1960، دانشمندان به دنبال مهار این پدیده برای استفاده عملی بودند. اما خنک کننده تابشی غیرفعال فقط در شب قابل توجه است: در روز، نور خورشید انرژی گرمایی بسیار بیشتری نسبت به آنچه می توانیم به فضا بفرستیم به ما می دهد.

علاقه مندان می گویند که این مواد نه تنها ممکن است در قبوض برق صرفه جویی کنند، بلکه افزایش تقاضا برای یخچال و تهویه مطبوع انرژی را با گرم شدن جهان کاهش دهند. ماتئوس سانتاموریس از دانشگاه نیو ساوت ولز در سیدنی استرالیا که خودش در تلاش برای بهبود چنین موادی است، می‌گوید: «اعتقاد من این است که در چهار تا پنج سال آینده، سیستم‌های خنک‌کننده تشعشعی در روز فناوری شماره یک ساختمان‌ها خواهند بود. "این تهویه مطبوع آینده است."

برخی از محققان حتی پیشنهاد کرده اند که این مواد ممکن است به عنوان بخشی از یک استراتژی مهندسی زمین در نظر گرفته شوند تا به زمین کمک کنند تا گرما را برای مقابله با افزایش دمای جهانی دفع کند. آیا به جای تلاش برای جلوگیری از گرمای ورودی از خورشید، می‌توانیم کاری کنیم که زمین بیشتر ساطع کند؟ جرمی موندی، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، می پرسد.

همانطور که در این تصویر حرارتی نشان داده شده است، سطحی که با یک رنگ فوق خنک کننده پوشانده شده است، سردتر از محیط اطراف خود باقی می ماند. اعتبار: جیوتیرموی ماندال

اما بسیاری از دانشمندان در مورد این ایده ها محتاط هستند. تا کنون، تخمین های نظری در مورد اینکه چقدر توان الکتریکی را می توان صرفه جویی کرد، بر اساس داده های نمونه های کوچک آزمایش شده در مدت زمان کوتاه بوده است. همچنین تردیدهایی در مورد توانایی این مواد برای کار در انواع مختلف آب و هوا و مکان وجود دارد. اثر خنک کننده در آب و هوای خشک و با آسمان صاف بهترین عملکرد را دارد. هنگامی که هوا ابری یا مرطوب است، بخار آب تابش مادون قرمز را به دام می اندازد. و مواد فوق‌العاده خنک ممکن است در همه شرایط آب و هوایی دوام نیاورند یا به راحتی در همه ساختمان‌ها قرار نگیرند.

ناشناخته دیگر این است که آیا مصرف کنندگان این ایده را خواهند پذیرفت. به گفته Sailor، حتی اقدام ساده جایگزین کردن سقف‌های فرسوده با سقف‌های سفید بازتابنده برای خنک‌سازی خانه‌ها به‌طور گسترده توسط صاحبان خانه‌ها پذیرفته نشده است. با این حال، کار مدل‌سازی او نشان می‌دهد که استفاده از یک رنگ فوق‌العاده خنک ممکن است در مقایسه با سقف سفید، صرفه‌جویی در مصرف انرژی را دو برابر کند. او می گوید: «این کمی بازی را تغییر می دهد - به طور بالقوه.

غلبه بر خورشید

در سال 2012، رامان - که دکترای خود را با فن در مورد مواد برای برداشت انرژی خورشیدی تکمیل می کرد - به طور تصادفی به مطالعات قدیمی در مورد خنک کننده تابشی غیرفعال رسید، اثری که او نشنیده بود. او با درک اینکه هیچ کس روش استفاده از آن را در زیر نور مستقیم خورشید پیدا نکرده است، خواص نوری یک ماده برای غلبه بر گرمای خورشید را بررسی کرد. این رنگ باید طیف خورشیدی را در طول موج های 200 نانومتر تا 2.5 میکرومتر حتی موثرتر از رنگ سفید که تا 94 درصد بازتاب می کند، منعکس کند. و باید تا حد امکان نزدیک به 100٪ طول موجهای 8 تا 13 میکرومتر را جذب و ساطع کند (به "سرد نگه داشتن آنها" مراجعه کنید).

رامان و فن فکر می کردند که همه اینها می تواند با مهندسی مواد در مقیاس نانو انجام شود. ایجاد ساختارهایی کوچکتر از طول موج های نوری که از آنها می گذرد باید جذب و انتشار برخی از طول موج ها را افزایش داده و باعث سرکوب برخی از طول موج ها شود.

این گروه ایده حک کردن الگوها در سطوح 4 را مطرح کرد و آن را در سال 2013 منتشر کرد. سپس تیم پیشنهادی را به آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته ایالات متحده-انرژی (ARPA-E) برای تأمین بودجه برای ساخت آن ارائه کرد.

هاوارد برانز، مدیر برنامه در ARPA-E در واشنگتن دی سی، و اکنون مشاور فناوری در بولدر، کلرادو، به یاد می‌آورد: «فوراً فکر کردم وای، واقعاً دوست دارم کسی واقعاً این کار را انجام دهد.» «کارهای خنک‌کننده تشعشعی زیادی در شب انجام شده است، اما انجام آن در زیر نور کامل خورشید کاملاً شگفت‌آور است».

برانز به محققان 400000 دلار آمریکا و یک سال داد. با زمان اندک، تیم استنفورد تصمیم گرفت طراحی را ساده کرده و لایه بندی مواد را به روش های آشناتری امتحان کند. برای ایجاد چیزی بسیار بازتابنده، محققان چهار لایه نازک از مواد را جایگزین کردند که نور را به شدت (دی اکسید هافنیوم) و ضعیف (دی اکسید سیلیکون یا شیشه) می شکنند. از طریق لایه های مختلف آنها از همان اصل برای تقویت تشعشعات مادون قرمز استفاده کردند و سه لایه ضخیم تر از همان مواد را در بالا قرار دادند.

هنگامی که آنها مواد خود را در فضای باز آزمایش کردند ، تقریباً 5 درجه سانتیگراد خنک تر از دمای محیط باقی ماند، حتی در زیر نور مستقیم خورشید حدود 850 وات بر متر مربع. (در یک روز روشن و صاف در سطح دریا، شدت نور خورشید مستقیماً بالای سر به حدود 1000 وات متر مربع می رسد ) .

پس از آن موفقیت، ARPA-E پیشنهادهای دیگری را برای مواد فوق العاده خنک تامین مالی کرد. از جمله ایده‌ای از شیائوبو یین و رونگگی یانگ در دانشگاه کلرادو بولدر بود که می‌خواستند موادی را در مقیاس بزرگ بسازند. آنها کار با پلاستیک و شیشه ارزان را انتخاب کردند. کره‌های شیشه‌ای با اندازه مناسب - با عرض چند میکرومتر - به شدت در محدوده 8 تا 13 میکرومتر ساطع می‌کنند. قرار دادن اینها در یک فیلم با ضخامت 50 میکرومتر از پلی متیل پنتن شفاف - پلاستیکی که در برخی تجهیزات آزمایشگاهی و ظروف پخت و پز استفاده می شود - و پشتوانه آن با نقره بازتابنده برای ایجاد یک ماده فوق العاده خنک کافی بود . مهمتر از آن، محققان می‌توانند فیلم را با فناوری رول به رول بسازند که 5 متر در دقیقه می‌چرخد.

تصویر یک هنرمند از کره‌های شیشه‌ای محصور شده در یک ورقه پلاستیکی که وقتی روی یک پشتی نقره‌ای بازتابنده قرار می‌گیرند خنک می‌شوند. اعتبار: یائو ژای و همکاران/علم

معلوم شد که بسیاری از مواد در صورتی که به روشی درست ساخته شوند، خنک‌کننده فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند - نه فقط مواد عجیب و غریب یا خاص. در سال 2018، محققان دانشگاه کلمبیا در شهر نیویورک و آزمایشگاه ملی آرگون در لمونت، ایلینویز، یک رنگ فوق‌العاده خنک را بر اساس یک پوشش پلیمری قابل پاشیدن گزارش کردند . یوان یانگ، عضو تیم توضیح می دهد که بسیاری از پلیمرها به طور طبیعی در محدوده 8 تا 13 میکرومتر فروسرخ ساطع می کنند، زیرا پیوندهای شیمیایی آنها، مانند پیوندهای بین اتم های کربن یا بین کربن و فلوئور، بسته های نور مادون قرمز را هنگام کشش و شل شدن به بیرون می فرستند. کلید تقویت توانایی پلیمرها در انعکاس نور خورشید بود.

شاگرد یانگ، جیوتیرموی ماندال - که اکنون یک محقق فوق دکترا در آزمایشگاه رامان در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس است - پیش سازهای پلیمری فلوئوردار را در استون با مقدار کمی آب حل کرد. این مخلوط را می توان روی یک سطح اسپری کرد تا یک پوشش پلیمری یکنواخت با قطرات ریز آب پراکنده در آن ایجاد شود. استون فرار ابتدا خشک می شود و به دنبال آن قطرات آب، منافذی را بر جای می گذارد که پر از هوا می شوند. یانگ می گوید که نتیجه کلی یک پوشش سفید با منافذ درونی است که نور خورشید را منعکس می کند.

در ماه مه گذشته، تیم کلرادو ماده دیگری را گزارش کرد: یک چوب خنک‌کننده که با لیانگ‌بینگ هو و تیان لی در دانشگاه مریلند، کالج پارک ایجاد شد. لی می گوید، درست مانند پلیمرها، چوب حاوی پیوندهای شیمیایی است که نوع مناسبی از اشعه مادون قرمز ساطع می کند. یک اثر خنک کننده خالص را می توان با حذف شیمیایی یک جزء سفت و سخت به نام لیگنین برای بازتابی چوب و فشرده کردن محصول برای تراز کردن الیاف سلولزی آن و تقویت انتشار مادون قرمز به دست آورد.

چوب طبیعی (سمت چپ) در کنار چوب تیمار شده که گرما را از بین می برد. اعتبار: Liangbing Hu، InventWood

دانشمندان همچنین از پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS)، یک ماده سیلیکونی که در محصولاتی مانند روان کننده ها، نرم کننده های مو و بتونه احمقانه یافت می شود، لایه های نازک فوق العاده خنکی را با اسپری کردن آن بر روی یک پوشش بازتابنده ساخته اند. اخیراً در آگوست گذشته، زونگ فو یو در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون و کیائوکیانگ گان در دانشگاه ایالتی نیویورک در بوفالو دریافتند که یک فیلم آلومینیومی با اسپری پوشش داده شده با یک لایه 100 میکرومتری PDMS 11 درجه سانتیگراد خنک‌تر از محیط باقی می‌ماند. هوا وقتی در پارکینگ پردیس در وسط روز قرار می گیرد 2 .

خونسرد ماندن

تقریباً همه تیم‌های تحقیقاتی اختراعات خود را ثبت کرده‌اند و اکنون در تلاش برای بازاریابی آنها هستند. گان در حال همکاری با شرکای صنعتی است که از نام بردن آنها خودداری کرد تا فیلم PDMS-آلومینیوم را تجاری کند. دانشگاه کلمبیا مجوز رنگ فوق العاده خنک خود را برای توسعه به استارت آپ نیویورکی MetaRE که توسط Mandal و یانگ همکار کلمبیا Nanfang Yu تأسیس شده است، داده است. آوریل تیان، مدیر اجرایی شرکت MetaRE همچنین در حال کار با صنعت برای توسعه رنگ برای سقف، حمل و نقل یخچالی، ذخیره سازی و کاربردهای نساجی است. او می گوید که این محصول با رنگ های معمولی "به شدت رقابتی" است.

استارت‌آپ‌های دیگر تاکید کرده‌اند که محصولاتشان چقدر می‌توانند در مصرف برق صرفه‌جویی کنند. فن و رامان یک سیستم اختصاصی برای پنل های SkyCool Systems ایجاد کرده اند. در سال 2017، آنها پیش‌بینی کردند که این سیستم می‌تواند میزان برق مصرفی یک ساختمان برای خنک‌سازی را تا 21 درصد در طول تابستان در لاس‌وگاس گرم و خشک، نوادا 8 کاهش دهد. رامان می گوید که پانل ها ظرف سه تا پنج سال هزینه خود را پرداخت خواهند کرد. یین و رونگگی یانگ شرکتی را در بولدر به نام Radi-Cool راه اندازی کرده اند تا پلاستیک های تعبیه شده با شیشه را تجاری کنند. ژانویه گذشته، آنها گزارش دادند که اگر این ماده با چیلرهای آب در ساختمان‌های تجاری در فینیکس، آریزونا ادغام شود، می‌تواند مصرف برق برای خنک‌سازی در تابستان را 32 تا 45 درصد کاهش دهد. میامی، فلوریدا؛ و هیوستون، تگزاس 9. در همین حال، هو مجوز مواد چوبی فوق‌العاده خنک را به یک شرکت مستقر در مریلند به نام InventWood داده است. او پیش‌بینی می‌کند که می‌تواند 20 تا 35 درصد انرژی خنک‌کننده را در 16 شهر ایالات متحده صرفه‌جویی کند .

اما دایانا اورگه-ورساتز، دانشمند محیط زیست در دانشگاه اروپای مرکزی در بوداپست که متخصص در کاهش تغییرات آب و هوایی است، هشدار می دهد که این تخمین ها بر اساس آزمایش ها و مدل هایی است که برای تعمیم به کل ساختمان ها در شهرها بسیار محدود است. یین اضافه می کند که صرفه جویی واقعی انرژی و اینکه یک ماده فوق العاده خنک چقدر سریع هزینه خود را بپردازد به ساختار ساختمان، موقعیت مکانی و شرایط آب و هوایی بستگی دارد.

موقعیت مکانی بزرگترین مانع است. جیمز کلاوسنر، مهندس مکانیک در دانشگاه ایالتی میشیگان در شرق لنسینگ که به عنوان مدیر برنامه ARPA-E پس از برانز خدمت کرده است، می‌گوید: «مناطق جغرافیایی خاصی وجود دارد که کار نمی‌کند زیرا جو به اندازه کافی خشک نیست. برخی از پیشنهادات را در این زمینه تامین مالی کرد. او می‌گوید اما این خیلی هم بد نیست، زیرا مناطقی که این اثر به خوبی کار می‌کند، مناطق خشکی مانند جنوب غربی ایالات متحده یا خاورمیانه هستند که تقاضاهای زیادی برای تهویه مطبوع دارند.

چالش دیگر این است که سیستم های خنک کننده تابشی ممکن است هزینه های گرمایش را در زمستان افزایش دهند. برای رفع این مشکل، Santamouris در تلاش است تا یک لایه مایع در بالای مواد فوق خنک معرفی کند که وقتی دما به اندازه کافی پایین می‌آید، منجمد می‌شود. هنگامی که مایع جامد می شود، تشعشع دیگر نمی تواند به فضا فرار کند، بنابراین اثر خنک کننده قطع می شود. و در اکتبر گذشته، ماندال و یانگ راه دیگری برای توقف بیش از حد خنک کردن 10 گزارش کردند . اگر آنها منافذ پوشش پلیمری خود را با ایزوپروپانول پر کنند، پوشش به جای دفع گرما، شروع به جذب گرما می کند. این را می توان با دمیدن هوا از طریق منافذ برای خشک شدن آنها معکوس کرد.

از رنگ سفید متخلخل می توان برای خنک کردن ساختمان ها در تابستان استفاده کرد. هنگامی که با الکل خیس می شود، شفاف می شود و گرما را به دام می اندازد (سمت چپ) که ممکن است در زمستان ساختمان ها را گرم کند. اعتبار: جیوتیرموی ماندال

مسئله دیگری هم وجود دارد: این مواد تنها در صورتی به فوق خنک شدن دست می یابند که بتوانند تشعشعات خود را مستقیماً به هیت سینک سرد فضای بیرونی بفرستند. در یک محیط شهری، ساختمان‌ها، افراد و اشیاء دیگر می‌توانند مانع ایجاد گرما شوند و گرما را جذب کنند و دوباره آن را ساطع کنند. مواد با بهترین عملکرد در حال حاضر گرما را با سرعتی در حدود 100 Wm -2 حذف می کنند. گان و یو امیدوارند با قرار دادن فیلم‌هایشان عمود بر سقف، این میزان را دو برابر کنند تا انتشار گازهای گلخانه‌ای از هر دو سطح خارج شود. اما این نیاز به افزودن موادی در اطراف فیلم‌ها دارد که می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای را به آسمان منعکس کند.

محققان به دنبال راه های دیگری برای افزایش توانایی خنک کنندگی مواد هستند. اکتبر گذشته، Evelyn Wang در مؤسسه فناوری ماساچوست در کمبریج و همکارانش گزارش دادند که پوشاندن یک لایه خنک کننده تشعشعی با یک آئروژل سبک و عایق، ساختار را 13 درجه سانتیگراد خنک تر از محیط اطراف خود در ظهر در صحرای خشک آتاکاما در شیلی نگه می دارد. در مقایسه با تنها 1.7 درجه سانتیگراد بدون ایروژل 3 . او می‌گوید مفهوم آئروژل را می‌توان با مواد فوق‌العاده خنک دیگر استفاده کرد.

رویاهای استفاده از مواد فوق العاده خنک برای مهندسی زمین برای کاهش گرمایش جهانی دورتر و از منظر عملی بعید به نظر می رسد. سپتامبر گذشته، موندی از «محاسبات پشت سر هم» استفاده کرد تا پیشنهاد کند که دمای رو به افزایش فعلی را می‌توان با پوشاندن 1 تا 2 درصد از سطح زمین با مواد موجود که حدود 100 وات متر مربع قدرت خنک‌کننده در طول روز تولید می‌کنند متعادل کرد.. مارک لارنس، دانشمند آب و هوا در مؤسسه مطالعات پایداری پیشرفته در پوتسدام می گوید، از آنجایی که پانل های خورشیدی هنوز پس از چندین دهه توسعه به آن سطح از پوشش نمی رسند، غیرممکن به نظر می رسد که این فناوری نوپا بتواند به موقع این کار را انجام دهد تا مفید باشد. ، آلمان مانند هر پیشنهاد ژئومهندسی، موندی پیامدهای ناخواسته احتمالی الگوهای بارش و اقلیم محلی را تأیید می کند - که اورگه-ورساتز موافق است که احتمالاً یک مشکل است.

رامان می‌گوید: با این حال، خنک‌کننده تابشی غیرفعال ممکن است مزایای زیادی داشته باشد (به «برق در شب، آب در روز» مراجعه کنید). برای مثال می تواند به جلوگیری از کاهش کارایی پنل های خورشیدی با افزایش دما کمک کند. یین می‌گوید که تمامی فرآیندهای تولید و تبدیل برق، گرمای اتلاف تولید می‌کنند، حتی اگر از انرژی‌های تجدیدپذیر به جای سوخت‌های فسیلی استفاده کنند. او می‌گوید: «این تنها فناوری است که تمام این گرمای هدر رفته را مهار می‌کند و آن را به فضا می‌ریزد».