דמיינו בניינים שמקררים את עצמם כאילו יש להם מיזוג אוויר, אבל בלי להשתמש בוואט אחד. העתיד הזה כבר נוצר בזכות... קירור קרינתי פסיביאסטרטגיה זו רותמת את הפיזיקה של קרינה תרמית כדי לפלוט חום לשמיים, אפילו באור שמש מלא אם החומר מתוכנן היטב. רחוק מלהיות מדע בדיוני, קיימים אבות טיפוס אמיתיים. ציפויי פלסטיק מתכלים חדשים ומכשירים פוטוניים שכבר הוכיחו הפחתות טמפרטורה ניכרות בתנאים אמיתיים.
כדי להבין את הקסם, הסבר קצר יעזור: כל הגופים החמים פולטים קרינה אינפרא אדומה. אם משטח מצליח להקרין יותר אנרגיה לשמיים ממה שהוא סופג, הוא מתקרר. זה יכול לקרות גם בלילה וגם במהלך היום כאשר תנאים מסוימים משתלבים. החזרת שמש גבוהה (כדי להימנע מלהתחמם בשמש) ו פליטה גבוהה באינפרא אדום (כדי לגרש חום ביעילות, במיוחד בחלון האטמוספרי של 8-13 מיקרומטר). שימו לב, זה לא "חוסם את הקור", זה ההפך: פולטים חום לעבר השמיים, אשר במבט מכדור הארץ משמשים כגוף חום גדול עם טמפרטורה יעילה נמוכה מאוד.
מהו קירור קרינתי פסיבי וכיצד הוא משתלב במאזן האנרגיה של כדור הארץ?
במערכת האקלים, כדור הארץ סופג בעיקר קרינה קצרת גלים מהשמש ומאבד אנרגיה על ידי פליטת קרינה ארוכת גלים. עם זאת, התמונה מורכבת יותר ממה שנדמה: בנוסף לפיזור קרינה, ישנה גם הולכת חום על ידי הסעה ואידויאשר לעתים קרובות שולטים על פני השטח. בקנה מידה אטמוספרי, קרינה היא שוב המפתח, וכדי לסבך את העניינים, השונות היומית, הגיאוגרפיה, וה מחזור הדם הכללי שמחלק מחדש את החום בין האזורים הטרופיים לקטבים.
מכיוון שהאזורים הטרופיים מקבלים יותר אנרגיה סולארית למטר מרובע, האטמוספירה והאוקיינוסים מעבירים חום דרך מערבולות וזרימות ממוצעות. לפיכך, אזורים טרופיים מקרינים פחות לחלל מאשר היו מקרינים ללא זרימה זו, והקטבים יותר, אם כי במונחים מוחלטים, האזורים הטרופיים נותרים האזורים ש... הם פולטים יותר אנרגיה לחלל. רקע זה מסביר מדוע ביצועי הקירור הקרינתי תלויים ב איפה y מתי מוחל.
איך זה מרגיש ומתי זה עובד הכי טוב
בכל לילה בהיר, העור שלך מבחין בכך: אם תסתכל על השמיים לכמה שניות ואז תכסה את עצמך בדף נייר, תרגיש שהנייר "חם". ההסבר האמיתי הוא שהנייר, בערך... ~300K ועם עוצמת פליטה גבוהה, הוא מקרין יותר חום מהשמיים, שהטמפרטורה האפקטיבית שלהם, לא כולל קרינה קוסמית (~3K) עקב דעיכה אטמוספרית, נשארת נמוכה בהרבה. לא נכון לומר שנייר חוסם את הקורזה פשוט מקרין אליך חום, בדיוק כמו אש, אם כי בטמפרטורה נמוכה בהרבה.
אפקט יומיומי זה מופעל כאשר השמיים בהירים, הלחות נמוכה והחומרים המשמשים פולטים אור היטב בטווח האינפרא אדום של האטמוספירה. בתנאים אלה, משטח יכול להתקרר מתחת לטמפרטורת הסביבה ואף ליצור חום. כפור או קרח שחור על משטחים חשופים בלילה, אפילו כאשר האוויר מעט מעל 0 מעלות צלזיוס. בקרב אסטרונומים חובבים זה ידוע היטב: אופטיקה וציוד הם "נהיים קרים מדי" מביט למעלה אל שמי הלילה הצלולים.
ידע עם מאות שנים של היסטוריה: קרח לילה בהודו ובאיראן
לפני מקררים, קרח היה מיוצר בהודו על ידי השארת יריעות מים במגשי קרמיקה רדודים בחוץ, מבודדות בחציר וחשופות לחלוטין לשמיים. אם הרוח הייתה קלה והאוויר לא היה חם בהרבה מ-0 מעלות צלזיוס, ה... אובדן קרינה עלייה בחום כלפי מעלה עלתה על העלייה מההסעה, והמים קפאו בשעות הבוקר המוקדמות. טכניקות דומות תועדו באיראן, תקדים היסטורי עבור קירור פסיבי אשר חוזרת לעצמה בצורה חזקה היום.
פיזיקה חיונית: פליטת קרינה, החזרה וחלון 8-13 מיקרומטר
כדי שחומר יפעל, עליו למקסם שתי תכונות: החזר שמש גבוה בתחום הנראה והקרוב לאינפרא אדום (כדי למנוע התחממות בשמש) ו... פליטת אנרגיה גבוהה באינפרא אדום תרמי, במיוחד בין 8 ל-13 מיקרומטר, שם האטמוספירה "מאפשרת" לקרינה לעבור לחלל. חוק סטפן-בולצמן מקשר בין הספק המוקרן לטמפרטורה, ופליטות מציינת איזה חלק מהספק זה החומר יכול לפלוט ביחס ל... גוף שחורחומרים בעלי פליטת חום של ~0,9-0,98 הם מועמדים מצוינים לגגות קרים ופאנלים.
כדאי לזכור שלא הכל קרינה: בגובה פני השטח, רוח ולחות חשובות, כי הסעה ואידוי יכולים להפחית, או לפעמים מסכה, היתרון הקרינתי. זו הסיבה שבדיקות חומרים כנות מציינות תנאי בדיקה הומוגניים כדי להשוות תפוחים לתפוחים.
חומרי בניין: מגגות לבנים ועד מבנים פוטוניים
פתרונות מסורתיים, כגון צבעים וטיט, כבר הציעו פליטות סביב 0,96מה שמסביר את יעילותו בקירור בלילה. הצבעים הלבנים הטובים ביותר כיום משיגים החזרת שמש של עד ~0,94 עם פליטות של ~0,96. הבעיה: פיגמנטים כמו ה- דוֹד2 (ו-ZnO) סופגים אור אולטרה סגול, מה שבדרך כלל משאיר את ההחזרה הכוללת מתחת ל-0,95.
כדי לפרוץ את התקרה הזו, הגיעו פולימרים נקבוביים "ניתנים לצביעה": הנקבוביות שלהם מפזרות את אור השמש ביעילות רבה, ומשיגות החזרות ~0,96 ופליטות ~0,97בחוץ באור שמש מלא, קיבולות קירור קרובות ל 96 וואט / מ"ר וירידות טמפרטורה של כ-6 מעלות צלזיוס מתחת לטמפרטורת הסביבה, וזה לא דבר של מה בכך בקיץ.
אסטרטגיות אחרות כוללות ערימות דיאלקטריות על מראות מתכתיות, חומרים מרוכבים פולימר-מתכת, וסרטים פולימריים מצופים כסף עם החזרות. ~ 0,97 ופליטות ~0,96 אשר, בהשוואות תחת שמש אמצע הקיץ, הצליחה להישאר 11 ° C קריר יותר מצבעים לבנים מסחריים. אלו גישות פוטוניות המשלבות שכבות ומרקמים כדי "לדחוף" את הקרינה אל החלון הטוב.
בשנת 2014 דווח על מבנה פוטוני רב שכבתי עם פליטה סלקטיבית באינפרא אדום ארוך גל, המסוגל להשיג 5 מעלות צלזיוס מתחת לטמפרטורת הסביבה תחת קרינת שמש ישירה. ובשנת 2017, חומרים עם מיקרו-כדורי סיליקה במטריצה פולימרית, המגובים בכסף, הפגינו כוחות קירור קרינתיים בסדר גודל של ~93 וואט/מ"ר בצהריים, הכל עם תהליכי ייצור ניתנים להרחבה רול-רול.
ביו-פלסטיק וצבע: מ-PLA אולטרה-רפלקטיבי ועד גבישים נוזליים
צוות מג'נגג'ואו ומאוניברסיטת דרום אוסטרליה הציג סרט על PLA מתכלה ביולוגית עם מיקרו-מבנה נקבובי המתקבל על ידי הפרדת פאזות בטמפרטורה נמוכה. התוצאה: החזרת שמש של ~% 98,7, מוליכות תרמית נמוכה במיוחד (~0,049 W/m·K) ויכולת פליטה גבוהה של אינפרא אדום.
בבדיקות גגות תחת שמש מלאה, ציפוי זה השיג קירור שיא של −9,2 מעלות צלזיוס לגבי האווירה בצהריים; הממוצע היה −4,9 מעלות צלזיוס במהלך היום ו −5,1 מעלות צלזיוס בלילה, עם עוצמות של עד ~136 וואט/מ"רסימולציות עירוניות מצביעות על חיסכון שנתי בקירור של עד ~20,3% בערים כמו להסה. יתר על כן, עמידותו נראית מבטיחה: לאחר 120 שעות טבילה בחומצה ו-8 חודשים של חשיפה לקרינת UV, היא עדיין תפקדה היטב. 5- עד 6,5- מעלות צלזיוס מתחת לטמפרטורת הסביבה.
מה אם נרצה צבע בלי להתפשר על ביצועים? חוקרים קוריאנים פיתחו גבישים נוזליים פוטוניים מערכות אלו מייצרות צבע באמצעות החזרה מבנית, לא ספיגה, ובכך שומרות על יכולת הקירור. בבניינים ובכלי רכב שבהם האסתטיקה חשובה, היכולת לבחור צבעים מבלי להתפשר על הטמפרטורה היא יתרון משמעותי.
מעבר לציורים: מכשירים ומושגים המרחיבים את המפה
מאוניברסיטת באפלו מגיע אב טיפוס גאוני מאוד: קופסת ספוג עם דפנות חיצוניות סופגות ומעוקות, גיאומטריה עם חרוט פנימי ויריעה דקה של אלומיניום מצופה בפולידימתילסילוקסן (PDMS). האלומיניום מחזיר את השמש ו-PDMS הפולט אינפרא-אדום מקרין חום לשמיים; העיצוב מנתב את האור לכיוון המרכז ופולט את החום המוחזר החוצה, מה שמפחית את הרווחים הסולאריים ומקדם פיזור קרינה.
המערכת, שנבדקה על הסיפון, הצליחה להוריד את הטמפרטורה הפנימית ל- ~ 6 מעלות צלזיוס ביום ו ~ 11 מעלות צלזיוס בלילה ללא צריכת חשמל. גישות מודולריות ובעלות נמוכה אלה משתלבות היטב בסביבות עירוניות צפופות כדי למתן את אי חום.
קו מחקר בולט נוסף: ויסות חשמלי של פליטה. קבוצה מאוניברסיטת לינקופינג הוכיחה כי, עם פולימר מוליךניתן לכוונן את עוצמת הפליטה באופן אלקטרוכימי, ובכך לווסת את טמפרטורת המכשיר בתנאי הסביבה. נכון לעכשיו, הבקרה העדינה הנמדדת היא בסביבות ~ 0,25 מעלות צלזיוסאבל זה מוכיח את הרעיון: "תרמוסטט" קרינה עם צריכה מינימלית שבעתיד יוכל להיות משולב בגגות כפי שנעשה עם פאנלים סולאריים.
ובמישור התיאורטי, הוצעה מערכת בת קיימא המשלבת א דיודה תרמו-קרינתית (TRD) ומנוע חום (באופן אידיאלי מנוע קרנו או גנרטור תרמואלקטרי, TEG). המנוע ממיר חלק מהגרדיאנט התרמי לחשמל כדי להפעיל את ה-TRD, אשר בתורו פולט פוטונים אינפרא אדום, ויוצר פוטנציאל כימי של פוטונים חיובי. כאשר הפולט הוא 293 קלווין, הסימולציות מניבות הספקים של עד ~485 וואט/מ"ר, מעבר למגבלה של ~459 וואט/מ"ר שנקבעה על ידי חוק פלאנק ב-300 קלווין, עלייה משוערת של 5,7%.
יישומים: מהבניין ועד לחדר הניתוח, כולל בשטח
השדה הראשון ברור מאליו: בנייניםגגות קרים, ציפויים פוטוניים או ביו-פלסטיק נקבובי יכולים להפחית את טמפרטורת פני השטח ו... הביקוש למיזוג אווירבמיוחד באקלים יבש עם ימים בהירים רבים בשנה. בהקשרים עירוניים, הם גם עוזרים לשלוט באפקט האלבדו ולמתן את עט תרמי עירוני.
אבל הרשימה ארוכה: הובלה (גופים קרירים יותר), חקלאות (הגנה על גידולים וקרקע), אלקטרוניקה (פיזור חום ללא קלט חשמלי), ביו-רפואה (חבישות לוויסות טמפרטורה לפצעים) ו שטח (מחזירי אור אופטיים לבקרת חום של חלליות). כמו כן נחקרת פאנלים קרינתיים עבור מי קירור ומערכות היברידיות עם אידוי להכפלת יעילות.
תנאים אידיאליים ומגבלות מעשיות
כדי שהאפקט יוצג, המרכיבים הבסיסיים ברורים ומשמשים כרשימת בדיקה: שמיים נקיים, לחות נמוכה וחומרים עם פליטת חום גבוהה ב-8-13 מיקרומטרבאקלים לח או מעונן, הביצועים מופחתים על ידי קרינה אטמוספרית כלפי מטה ש"ממלאת" את חלון האינפרא אדום, אך הגישה עדיין שימושית כ... השלמה של אסטרטגיות אקטיביות.
- שמיים נקייםהם ממזערים פליטה חוזרת לאטמוספרה אל פני השטח.
- לחות נמוכהאדי מים נספגים בקרינה אינפרא אדום ומקטינים את החלון השימושי.
- חומר מתאיםהחזרת שמש גבוהה + פליטה אינפרא אדום גבוהה.
מדידה מדויקת חשובה: פליטה חצי כדורית, ציוד נייד ובדיקות דומות
אתגר שלא הוערך מספיק הוא מטרולוגיהרוב ציוד המעבדה מודד פליטת חומר במצב קוואזי-נורמלי, אך כדי להעריך באמת חומר, נדרשת הפליטה שלו. חצי כדור מוחלט בכל אורכי הגל והזוויות. בנוסף, בדיקות שטח דורשות כיול נכון של ציוד נייד עם דפוסי ERD של מאפיינים ידועים.
היבט מרכזי נוסף הוא הסכמה דמויות ראויות ותנאי בדיקה הומוגניים (שמש, זווית, רוח, לחות, רקע תרמי). קבוצות ספרדיות, כמו IETCC-CSIC ו-IO-CSIC, יחד עם משתפי פעולה בינלאומיים (INRiM, אוניברסיטאות), דוחפות לאחד מתודולוגיות וספסלי בדיקה המאפשרים השוואה בין חומרים ב אמין וניתן לחזרה.
ננו-חומרים ופוטוניקה: הפרטים הקטנים שעושים את ההבדל
מגוון הגישות הוא נרחב. ישנן צבעים בעלי פליטה גבוהה (ε > 0,9) עבור גגות וחזיתות, סרטי פולימר פולטני למשטחים וחלונות סלקטיביים לאינפרא אדום, ו מבנים פוטוניים (גבישים וערימות שכבות) שמעצבים את התפשטות האור כדי למקסם את הפלט ב-8-13 מיקרומטר.
בתחום הננו, תרכובות נחקרות. שכבת הליבה המאפשרים כוונון הן של החזרת השמש והן של פליטת ה-IR. דווח על היברידים של תחמוצת אבץ ותחמוצת גרפן משולבים במטריצות פולימר בעלות ביצועים קרינתיים גבוהים, וסרטים המבוססים על דוֹד2 בשילוב עם גרפיט ששומר על פליטת כוח והחזרה טובים באינפרא אדום, ומשיג קירור תת-סביבתי ללא קלט אנרגיה.
מטריצות פולימריות עם חלקיקים של סו2 o SiC הם פעילים מאוד משום שהם שקופים בקרינת שמש ופולטים בקרינת אינפרא אדום. הגיבוי המתכתי (כסף או אלומיניום) יכול לשמש כמראה כדי לשפר את כיווניות ועוצמת החומר; כך צצו סרטי פולימר-כסף עם החזרה של כ-0,97 ופליטות של כ-0,96, שהצליחו לעלות על צבעים באמצע הקיץ.
גישה נוספת היא לעבד את התרכובות הללו ב ננו-סיבים וטקסטיל, מה שפותח דלתות לבגדים המווסתים נוחות תרמית ומספקים מסנני קרינה. שילוב ננו-קומפוזיטים במערכים פוטוניים פולימריים הוא מבטיח, אם כי הכדאיות התעשייתית שלהם, תאימותם האופטית/תרמית והיבטים אחרים עדיין נחקרים. השפעה סביבתית ובריאותית.
אקלים עירוני, חיסכון באנרגיה והיכן להתקין
ערים מרכזים את הביקוש לאחסון בקירור וסובלות מההשלכות. אי חום עירוניכאן, ציפוי גגות ומעטפות מבנים בחומרי ERD מפחית את טמפרטורות פני השטח ואת צריכת החשמל. מודלים עירוניים מראים, למשל, שבעיר עם קרינה גבוהה כמו להסה, אימוץ סרט PLA יכול לקצץ עד ~% 20,3 צריכת קירור שנתית.
גגות הם המטרה העיקרית, אבל יש מקום בחניונים, גגות של מבנים תעשייתיים, סוככים ואפילו ציי תובלהשילוב של ERD עם בידוד, אוורור לילה או קירור אידוי יוצר סינרגיות שלוקחות את היעילות צעד קדימה, במיוחד באקלים יבש עם ימים בהירים רבים בשנה.
היבטים מעשיים: עלות, עמידות ותחזוקה
מחיר ועמידות מניעים את האימוץ. חלק מהציפויים המתקדמים היו שבירים או יקרים, אך החדש PLA נקבובי הוא הוכח כעמיד בפני חומצות וקרינת UV (שווה ערך ל-8 חודשים) תוך שמירה על ביצועים יוצאי דופן. למרות זאת, מומלץ לקבוע פרוטוקולי תחזוקה ו... בדיקות הומולוגיות הזדקנות מואצת כדי להשוות טכנולוגיות בתנאים שווים.
לחות הסביבה וכיסוי העננים מפחיתים את עוצמת הקירור, כך שהתשואה על ההשקעה תהיה תלוי אקליםבאזורים לחים, הוא יכול להמשיך ולפצות כתמיכה להפחתת צריכת שיא, ובאקלים יבש הוא יכול להפוך לכלי מרכזי באסטרטגיית האנרגיה של הבניין.
האם ניתן לווסת את זה ו"לסחוט מזה יותר"? מה הלאה?
בקרת פליטה אקטיבית פותחת דלתות לניהול נוחות לפי דרישה עם מינימום הוצאההוכחת היתכנות עם פולימרים מוליכים כבר מאפשרת התאמות עדינות, ושימוש בסימולטורים של שמיים (צינורות מצופים אלומיניום וזרקורים מקוררים עם חנקן נוזלי) מסייע למדוד ללא רעשי סביבה. ככל שהיציבות וטווח הכוונון יגדלו, נראה כיסויים "חכמים" ש הם מסתגלים מעצמם.
במקביל, השילוב בין TRD למנוע תרמי (או TEG) מצביע על כך שעדיין קיים מקום פיזי להפקת אנרגיה מקרינה בעלת פוטנציאל כימי חיובי של פוטונים. גורמים כגון קשר בין אזורים TRD/פולט (~1:15) או חומרים כגון זרחן שחור (יעילות קוונטית גבוהה, רקומבינציה נמוכה שאינה קרינה) עושים את ההבדל; הצבת ה-TRD בצד החם של המנוע יכולה לשפר את הביצועים בכמה % 3-5זה עדיין צריך לעבור מנייר לאב טיפוס, אבל התחזית מבטיחה.
בסופו של דבר, תחום זה משלב מסורת (קרח לילה), מדע חומרים חדשני ושפיות אקלימית. צבעים פולטים מציפויים פוטוניים מסורתיים המתפקדים היטב באור שמש מלא, ועד לביו-פלסטיק עמיד, התקני "קופסת קרינה" בעלות נמוכה ומערכות מתכווננות חשמלית, מגוון הפתרונות גדל במהירות ומתאים לצורך הדחוף לקצץ בצריכת הקירור, שכבר מתקרבת למספרים דו-ספרתיים של צריכת חשמל עולמית.
עדיין יש דרך ארוכה לעבור בתקינה של מדידות, הפחתת עלויות והסתגלות לאקלים לח, אך הפוטנציאל עצום: החל מגגות שכונות שלמות ועד להורדת ה... טמפרטורה עירונית אפילו שילוב פאנלים קורנים שמקררים מי תהליך או מגנים על חיישנים וציוד אלקטרוני מבלי לצרוך חשמל. והכי חשוב, אנו מנצלים את היתרון של מנגנון טבעי שכדור הארץ משתמש בו במשך מיליוני שנים; עכשיו, אנחנו פשוט מכוונים אותו בצורה עדינה כדי שיפעל לטובתנו.
