Säteilevä viitta pitää esineet lämpiminä ja viileinä – Physics World

Säteilevä viitta pitää esineet lämpiminä ja viileinä – Physics World

Aikaleima: 3. elokuuta 2023 3

Lämpöviitta autossa
Kuuma ja kylmä: Janus-lämpöviitta on käytetty pitämään sähköauto kesällä viileänä ja talvella lämpimänä. (Kohtelias: Huaxu Qiao)

Kiinalaiset tutkijat ovat kehittäneet lämpöviitan, joka voi säteilevästi jäähdyttää esineitä kuumalla säällä ja pitää ne lämpiminä kylmällä. Kehang Cui Shanghai Jiao Tong -yliopistossa ja kollegat sanovat, että heidän uusi teknologiansa tarjoaa lupaavan tavan säädellä lämpötilaa ilman energian syöttämistä.

Rakennusten lämmityksen ja jäähdytyksen osuus maailman energiankulutuksesta on noin 20 %. Ilmastonmuutoksen kiihdyttäessä äärimmäisten sääolosuhteiden esiintymistiheyttä ja vakavuutta, lämpötilanhallintajärjestelmiä venytetään edelleen tulevina vuosikymmeninä.

Tämän seurauksena tutkijat ovat innokkaita luomaan edullisia, hiilineutraaleja teknologioita, jotka voivat säätää lämpötiloja passiivisesti ilman virtalähdettä.

Toimii molempiin suuntiin

Tärkeä haaste tällaisten järjestelmien luomisessa on se, että perinteiset lämpöä säätelevät materiaalit eivät voi muuttaa säteilykäyttäytymistään automaattisesti. Esimerkiksi jotkut jäähdytysmateriaalit heijastavat auringon säteilyä ja lähettävät keski-infrapunasäteilyä "läpinäkyvyysikkunassa". Tämä ikkuna on osa sähkömagneettista spektriä, jossa säteily ei heijastu tai absorboi ilmakehää ja tällä säteilyllä on viilentävä vaikutus. Nämä materiaalit säteilevät kuitenkin myös säteilyä kylmissä lämpötiloissa ja hävittävät arvokasta lämpöä.

Nyt Cui ja kollegat ovat luoneet uuden "Janus lämpöviitan" (JTC), joka säätelee lämpötilaa kaikissa ympäristön lämpötiloissa. "Vitta koostuu täyskeraamisesta, säteilyä jäähdyttävästä fononisesta metakankaasta, joka on taivaalle päin, ja fotoneja kierrättävästä kalvosta sisäänpäin", Cui selittää.

Tiimi valitsi nämä materiaalit niiden suuren lujuuden ja vakauden, alhaisten kustannusten ja erinomaisen tulen- ja korroosionkestävyyden vuoksi. Tämän seurauksena he sanovat, että viitta on helppo valmistaa ja kestää ankaria ulkoilmaolosuhteita.

Alumiiniseoksesta valmistetulla JTC:n sisäkalvolla on korkea lämmönjohtavuus, mutta se heijastaa lähes täydellisesti säteilyä koko infrapunaspektrin läpi – pidättäen lämmön sisällä. Tutkijat sanovat, että materiaaleja, kuten keramiikkaa, kuparia ja ruostumatonta terästä, voidaan myös käyttää materiaalien saatavuudesta riippuen.

Hyperbolinen materiaali

JTC:n taivaalle päin oleva metakangas koostuu punotuista piidioksidikuiduista kudotusta telineestä, joka on sidottu 2D-kuusikulmainen boorinitridikiteeseen. Tämä luo "hyperbolisen" materiaalin, jonka vaste tuleviin sähkömagneettisiin aaltoihin riippuu niiden lähestymiskulmasta.

Toisin kuin alla oleva kalvo, metakankaalla on erittäin alhainen lämmönjohtavuus, mutta se heijastaa hyvin auringonsäteilyä – kattaa näkyvän ja lähi-infrapuna-alueen. Tämä johtuu valo-aineen vuorovaikutuksesta metakankaan sisällä, mikä aiheuttaa keski-infrapunasäteilyn sironnan sen piidioksidikuitujen akselien ympärille. Läpinäkyvyysikkunassa metakangas lähettää uudelleen käytännössä kaiken absorboimansa säteilyn siirtämättä sitä kalvoon.

Tämän seurauksena peitetyn kohteen sisällä oleva lämpö pyrkii pidättymään, mutta ympäristön säteily ei lämmitä esinettä.

Cuin tiimi testasi JTC:tä Shanghain kaduille pysäköityjen sähköautojen kanssa ja vertasi niiden matkustamon lämpötiloja peittämättömiin autoihin. Kokeessa peitetyt autot pysyivät kuumina kesäpäivinä noin 8°C viileämpänä kuin peittämättömät autot ja kylminä talviöinä 6.8°C lämpimämpinä.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun pystymme lämpenemään ympäristön lämpötilan yläpuolelle lähes 7 °C:lla talviyönä", Cui kuvailee. "Tämä on myös meille yllättävää - energiaa ei syötetä tai aurinko paistaa ja voimme silti lämmetä." Tämä passiivinen säätö on erityisen tärkeä sähköautoille, koska niiden akut ja sähkökomponentit eivät kestä helposti äärimmäisiä lämpötilanvaihteluita.

Cuin ja kollegoiden seuraavat askeleet ovat suunnittelunsa skaalaus – mikä saattaa johtaa monipuoliseen valikoimaan jännittäviä käytännön sovelluksia. "Lämpöverho on luotettava, todella passiivinen, eikä siinä ole vaihemuutoksia tai liikkuvia osia", hän jatkaa. "Tämä tekee siitä lupaavan käytettäväksi reaalimaailman sovelluksissa rakennuksissa, ajoneuvoissa ja jopa maan ulkopuolisissa ympäristöissä."

Tutkimusta kuvataan Laite.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma