A sugárzó köpeny melegen és hűvösen tartja a tárgyakat – Fizika világa

A sugárzó köpeny melegen és hűvösen tartja a tárgyakat – Fizika világa

Időbélyeg: 3. augusztus 2023. 3:07

Hőköpeny egy autón
Hideg és meleg: a Janus hőköpenyt arra használták, hogy az elektromos autókat nyáron hűvös, télen pedig melegen tartsa. (Jóvolt: Huaxu Qiao)

Kínában dolgoztak ki kutatók egy hőköpenyt, amely meleg időben sugárzóan lehűti a tárgyakat, hidegben pedig melegen tartja azokat. Kehang Cui A Shanghai Jiao Tong Egyetem munkatársai és munkatársai azt mondják, hogy új technológiájuk ígéretes módot kínál a hőmérséklet szabályozására energiabevitel nélkül.

Az épületek fűtése és hűtése a globális energiafogyasztás mintegy 20%-át teszi ki. Mivel az éghajlatváltozás fokozza a szélsőséges időjárási jelenségek gyakoriságát és súlyosságát, a hőmérséklet-szabályozó rendszerek a következő évtizedekben tovább bővülnek.

Ennek eredményeként a kutatók olyan alacsony költségű, szén-dioxid-semleges technológiák kifejlesztésére törekednek, amelyek passzívan, áramforrásból való fogyasztás nélkül képesek a hőmérsékletet szabályozni.

Mindkét irányban működik

Az ilyen rendszerek létrehozásának fontos kihívása, hogy a hagyományos hőszabályozó anyagok nem tudják automatikusan megváltoztatni sugárzási viselkedésüket. Például egyes hűtőanyagok visszaverik a napsugárzást, miközben középső infravörös sugárzást bocsátanak ki az „átlátszósági ablakban”. Ez az ablak az elektromágneses spektrum része, ahol a sugárzás nem verődik vissza vagy nyel el a légkörben, és ennek a kibocsátásnak hűtő hatása lesz. Ezek az anyagok azonban hideg hőmérsékleten is sugárzást bocsátanak ki, és eldobják az értékes hőt.

Cui és munkatársai most létrehoztak egy új „Janus termikus köpenyt” (JTC), amely minden környezeti hőmérsékleten szabályozza a hőmérsékletet. "A köpeny egy teljesen kerámia, sugárzó hűtésű fononikus metaszövetből áll, amely az ég felé néz, és egy foton-újrahasznosító fóliából, amely belül van" - magyarázza Cui.

A csapat nagy szilárdságuk és stabilitásuk, alacsony költségük, valamint kiváló tűz- és korrózióállóságuk miatt választotta ezeket az anyagokat. Ennek eredményeként azt mondják, hogy a köpeny könnyen gyártható, és ellenáll a zord kültéri környezetnek.

Az alumíniumötvözetből készült JTC belső fóliája magas hővezető képességgel rendelkezik, de szinte tökéletesen visszaveri a sugárzást a teljes infravörös spektrumon – megfogja a hőt benne. A kutatók szerint kerámia, réz és rozsdamentes acél anyagok is használhatók az anyagok elérhetőségétől függően.

Hiperbolikus anyag

A JTC ég felé néző metaszövete fonott szilícium-dioxid szálakból szőtt állványból áll, amely 2D hatszögletű bór-nitrid kristályhoz van kötve. Ez egy „hiperbolikus” anyagot hoz létre, amelynek reakciója a beeső elektromágneses hullámokra a megközelítés szögétől függ.

Az alatta lévő fóliával ellentétben a metaszövet rendkívül alacsony hővezető képességgel rendelkezik, de erősen visszaveri a napsugárzást – lefedi a látható és közeli infravörös tartományt. Ennek oka a metaszöveten belüli fény-anyag kölcsönhatás, amely a középső infravörös sugárzás szétszóródását okozza a szilícium-dioxid rostok tengelye körül. Az átlátszó ablakban a metaszövet gyakorlatilag az összes elnyelt sugárzást újra kibocsátja anélkül, hogy átvinné a fóliára.

Ennek eredményeként a hő az álcázott tárgyon belül hajlamos visszatartani, de a környezet sugárzása nem melegíti fel a tárgyat.

Cui csapata Sanghaj utcáin parkoló elektromos autókon tesztelte a JTC-t, és összehasonlította az utastér hőmérsékletét fedetlen autókkal. A kísérletben a fedett autók 8°C-kal hűvösebbek maradtak, mint a fedetlenek a forró nyári napokon, és 6.8°C-kal melegebbek a hideg téli éjszakákon.

„Ez az első alkalom, hogy a téli éjszakákon csaknem 7 °C-kal a környezeti hőmérséklet fölé melegedhetünk” – írja Cui. „Ez is meglepő számunkra – nincs energiabevitel vagy napsütés, és még mindig felmelegedhetünk.” Ez a passzív szabályozás különösen fontos az elektromos autók esetében, mivel akkumulátoraik és elektromos alkatrészeik nem képesek könnyen ellenállni a szélsőséges hőmérsékleti ingadozásoknak.

Cui és munkatársai számára a következő lépés a dizájn feljavítása lesz – ami valószínűleg izgalmas gyakorlati alkalmazások sokféleségéhez vezethet. „A hőköpeny megbízható, valóban passzív, és nem jár fázisváltással vagy mozgó alkatrészekkel” – folytatja. "Ez ígéretessé teszi az épületekben, járművekben és még földön kívüli környezetben való valós alkalmazásokban való használatra."

A kutatás leírása a eszköz.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa