В меняющемся климате потребуются энергоэффективные способы охлаждения зданий и транспортных средств. Исследователи из Университета Линчепинга показали, что электрическая настройка пассивного радиационного охлаждения может использоваться для контроля температуры материала при температуре окружающей среды и давлении воздуха. Результаты были опубликованы в Cell Reports Physical Science.

«Для охлаждения зданий, например, сегодня в основном используется традиционное кондиционирование воздуха, которое требует большого количества энергии и использует опасные для окружающей среды хладагенты. С помощью пассивного радиационного охлаждения холод космоса можно было бы использовать для дополнения обычных кондиционеров и уменьшения потребление энергии », — говорит Магнус Йонссон, профессор и руководитель группы органической фотоники и нанооптики в Университете Линчепинга.

Пассивное радиационное охлаждение использует то, что тепловая энергия может покинуть объект в виде инфракрасного излучения. Все объекты излучают тепло в виде инфракрасного света — деревья, здания, вода и даже люди.

Различные типы материалов излучают разное количество инфракрасного тепла. Это зависит от способности материала поглощать инфракрасное излучение — чем лучше он поглощает инфракрасное тепло, тем лучше материал излучает тепло. Например, обычная белая писчая бумага хорошо поглощает инфракрасное тепло и, следовательно, излучает его. Напротив, металлы плохо справляются с этим, так как большая часть тепла отражается.

Благодаря способности атмосферы пропускать свет в инфракрасном диапазоне длин волн, холод в открытом космосе, где температура составляет около -270 градусов по Цельсию, можно использовать для отвода тепла от объектов на Земле. Из-за разницы температур может быть чистый перенос наружу. Таким образом, объект может получить более низкую температуру , чем температура окружающей среды, с помощью пассивного радиационного охлаждения.

Этот эффект использовался в далеком прошлом, например, для производства льда в более теплом климате. Однако в последние годы исследования в области материаловедения проявляют все больший интерес к этому явлению, и были разработаны новые материалы с высокой способностью излучать инфракрасное тепло, не нагреваясь при этом под солнечными лучами.

Исследователи из Университета Линчёпинга показали, что температуру устройства можно регулировать, электрически регулируя степень, в которой оно излучает тепло посредством пассивного радиационного охлаждения. В концепции используется проводящий полимер для электрохимической настройки коэффициента излучения устройства. Результаты были опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science .

«Вы можете сравнить это с термостатом. В настоящее время мы можем регулировать температуру на 0,25 градуса по Цельсию. Это может показаться не таким уж большим, но дело в том, что мы показали, что можно проводить эту настройку при комнатной температуре и нормальной температуре. давление», — говорит Дебашри Банерджи, главный инженер-исследователь Линчёпингского университета и главный автор исследования.

Исследователи считают, что теперь, когда они показали, что это возможно, есть потенциал для дальнейшей разработки как материалов, так и устройств. В долгосрочной перспективе можно предусмотреть системы, которые можно будет разместить на крыше, подобно солнечному элементу, таким образом контролируя инфракрасное тепловое излучение дома и охлаждая его при необходимости. Этот метод требует чрезвычайно малого потребления энергии и вызывает минимальное загрязнение окружающей среды. Другие области применения также могут включать перестраиваемую одежду и обои для тепловых потоков и повышения теплового комфорта в помещении при сниженном энергопотреблении.

В другом исследовании, опубликованном в Advanced Science, та же исследовательская группа разработала термоэлектрическое устройство, работающее по тому же принципу радиационного охлаждения, которое также дополняется солнечным нагревом. Он основан на создании разницы температур между двумя целлюлозными материалами, один из которых содержит сажу, которая также поглощает солнечное тепло. Материалы соединены с материалом, который преобразует разницу температур в электрический потенциал. Когда устройство подвергалось воздействию неба, оно индуцировало электрическое напряжение 60 мВ уже при умеренном солнечном излучении, но эта концепция работает даже ночью, поскольку два материала на основе древесины имеют разные способности излучать тепло.

«Мы используем не только солнце, но и космическое пространство в качестве источника энергии», — говорит Мингна Ляо, доктор философии. докторант в группе и главный автор статьи в Advanced Science.

Чтобы выполнить контролируемые измерения для обоих исследований, исследователи построили симулятор неба. Таким образом, на измерения не влияли изменения в окружающей среде так же, как на открытом воздухе. Имитатор неба состоит из трубы с алюминиевым покрытием, отражающим излучение. Сосуд, расположенный на дне, содержит материал, поглощающий тепловое излучение и охлаждаемый жидким азотом, чтобы имитировать холод космического пространства.