Radiativ kappe holder genstande varme og kølige – Physics World

Radiativ kappe holder genstande varme og kølige – Physics World

Tidsstempel: 3. august 2023 kl. 3

Termisk kappe på en bil
Varmt og koldt: Janus termokappen er blevet brugt til at holde en elbil kølig om sommeren og varm om vinteren. (Med høflighed: Huaxu Qiao)

En termisk kappe, der strålingsmæssigt kan afkøle genstande i varmt vejr, og holde dem varme, når det er koldt, er udviklet af forskere i Kina. Kehang Cui ved Shanghai Jiao Tong University og kolleger siger, at deres nye teknologi tilbyder en lovende måde at regulere temperaturen på uden tilførsel af energi.

Opvarmning og afkøling af bygninger står for omkring 20 % af det globale energiforbrug. Efterhånden som klimaændringer eskalerer hyppigheden og sværhedsgraden af ​​ekstremt vejr, vil temperaturkontrolsystemer blive strakt yderligere i de kommende årtier.

Som et resultat er forskerne opsatte på at skabe billige, kulstofneutrale teknologier, der kan regulere temperaturen passivt uden at trække fra en strømforsyning.

Arbejder begge veje

En vigtig udfordring ved at skabe sådanne systemer er, at konventionelle varmeregulerende materialer ikke kan ændre deres strålingsadfærd automatisk. For eksempel reflekterer nogle kølematerialer solstråling, mens de udsender mid-infrarød stråling i "gennemsigtighedsvinduet". Dette vindue er en del af det elektromagnetiske spektrum, hvor stråling ikke reflekteres eller absorberes af atmosfæren, og denne emission vil have en kølende effekt. Disse materialer vil dog også udsende stråling i kolde temperaturer og kassere dyrebar varme.

Nu har Cui og kolleger skabt en ny "Janus termisk kappe" (JTC), som regulerer temperaturen ved alle omgivende temperaturer. "Kåben er sammensat af en helkeramisk, strålingskølende fononisk metafabrik, der vender mod himlen, og en fotongenbrugsfolie, der vender indad," forklarer Cui.

Holdet valgte disse materialer for deres høje styrke og stabilitet, lave omkostninger og fremragende modstandsdygtighed over for brand og korrosion. Som et resultat siger de, at kappen er nem at fremstille og modstandsdygtig mod barske udendørs miljøer.

Fremstillet af en aluminiumslegering har JTC's indvendige folie en høj termisk ledningsevne, men er næsten perfekt reflekterende for stråling over hele det infrarøde spektrum - fanger varme indeni. Forskerne siger, at materialer, herunder keramik, kobber og rustfrit stål, også kunne bruges, afhængigt af materialetilgængelighed.

Hyperbolsk materiale

JTC's himmelvendte metafab består af et stillads vævet af flettede silicafibre, der er bundet til en 2D hexagonal bornitridkrystal. Dette skaber et "hyperbolsk" materiale, hvis reaktion på indfaldende elektromagnetiske bølger afhænger af vinklen på deres tilgang.

I modsætning til folien nedenunder, har metafabrikken en ekstrem lav varmeledningsevne, men er meget reflekterende for solstråling - dækker det synlige og nær-infrarøde område. Dette skyldes lys-stof-interaktioner inde i metafabrikken, som får mellem-infrarød stråling til at spredes rundt om akserne af dens silicafibre. I gennemsigtighedsvinduet genudsender metafabrikken stort set al den stråling, den absorberer, uden at overføre den til folien.

Som et resultat har varme inden i den tilslørede genstand en tendens til at blive tilbageholdt, men stråling fra omgivelserne vil ikke have en tendens til at opvarme objektet.

Cuis team testede JTC på elbiler parkeret på gaderne i Shanghai og sammenlignede deres kabinetemperaturer med udækkede biler. I eksperimentet forblev de overdækkede biler omkring 8°C køligere end de udækkede biler på varme sommerdage og 6.8°C varmere på kolde vinternætter.

"Det er første gang, vi kunne opnå en opvarmning over den omgivende temperatur med næsten 7 °C i løbet af vinternætter," beskriver Cui. "Dette er også lidt overraskende for os - der er ingen energiinput eller solskin, og vi kan stadig blive varmere." Denne passive regulering er især vigtig for elbiler, da deres batterier og elektriske komponenter ikke uden videre kan modstå ekstreme temperaturudsving.

For Cui og kolleger vil de næste skridt være at opskalere deres design – hvilket muligvis fører til en bred vifte af spændende praktiske anvendelser. "Den termiske kappe er pålidelig, virkelig passiv og involverer ikke faseskift eller bevægelige dele," fortsætter han. "Dette gør det lovende til brug i den virkelige verden i bygninger, køretøjer og endda udenjordiske miljøer."

Forskningen er beskrevet i Enhed.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden