Strålende kappe holder objekter varme og kjølige – Physics World

Strålende kappe holder objekter varme og kjølige – Physics World

Tidsstempel: 3. august 2023 kl.3: 07

Termisk kappe på en bil
Varmt og kaldt: Janus termiske kappe har blitt brukt til å holde en elbil kjølig om sommeren og varm om vinteren. (Med tillatelse: Huaxu Qiao)

En termisk kappe som kan strålekjøle gjenstander i varmt vær, og holde dem varme når det er kaldt, er utviklet av forskere i Kina. Kehang Cui ved Shanghai Jiao Tong University og kolleger sier at deres nye teknologi tilbyr en lovende måte å regulere temperaturen på uten tilførsel av energi.

Oppvarming og avkjøling av bygninger står for rundt 20 % av det globale energiforbruket. Ettersom klimaendringene eskalerer hyppigheten og alvorlighetsgraden av ekstremvær, vil temperaturkontrollsystemer bli strukket ytterligere i de kommende tiårene.

Som et resultat er forskere opptatt av å lage rimelige, karbonnøytrale teknologier som kan regulere temperaturen passivt, uten å trekke fra en strømforsyning.

Jobber begge veier

En viktig utfordring ved å lage slike systemer er at konvensjonelle varmeregulerende materialer ikke kan endre sin strålingsadferd automatisk. For eksempel reflekterer noen kjølematerialer solstråling, mens de sender ut mellominfrarød stråling i "gjennomsiktighetsvinduet". Dette vinduet er en del av det elektromagnetiske spekteret der stråling ikke reflekteres eller absorberes av atmosfæren og denne emisjonen vil ha en avkjølende effekt. Imidlertid vil disse materialene også avgi stråling i kalde temperaturer, og kaste dyrebar varme.

Nå har Cui og kollegene laget en ny "Janus termisk kappe" (JTC), som regulerer temperaturen ved alle omgivelsestemperaturer. "Kappen er sammensatt av en helkeramisk, strålingskjølende fononisk metafabrik som vender mot himmelen, og en fotonresirkulerende folie som vender innover," forklarer Cui.

Teamet valgte disse materialene for deres høye styrke og stabilitet, lave kostnader og utmerket motstand mot brann og korrosjon. Som et resultat sier de at kappen er enkel å produsere, og motstandsdyktig mot tøffe utendørsmiljøer.

Laget av en aluminiumslegering, har JTCs indre folie høy varmeledningsevne, men er nesten perfekt reflekterende for stråling over hele det infrarøde spekteret – og fanger varmen inne. Forskerne sier at materialer inkludert keramikk, kobber og rustfritt stål også kan brukes, avhengig av materialtilgjengelighet.

Hyperbolsk materiale

JTCs himmelvendte metafab består av et stillas vevd av flettede silikafibre som er bundet til en 2D sekskantet bornitridkrystall. Dette skaper et "hyperbolsk" materiale, hvis respons på innfallende elektromagnetiske bølger avhenger av tilnærmingsvinkelen.

I motsetning til folien under, har metafabricen ekstremt lav varmeledningsevne, men er svært reflekterende for solstråling – dekker det synlige og nær-infrarøde området. Dette er på grunn av lys-materie-interaksjoner inne i metafabrikken, som forårsaker at mid-infrarød stråling spres rundt aksene til silikafibrene. I gjennomsiktighetsvinduet gjenutsender metafabrikken praktisk talt all strålingen den absorberer, uten å overføre den til folien.

Som et resultat har varme inne i den tildekkede gjenstanden en tendens til å bli holdt tilbake, men stråling fra omgivelsene vil ikke ha en tendens til å varme opp gjenstanden.

Cuis team testet JTC på elektriske biler parkert på gatene i Shanghai, og sammenlignet kabintemperaturene deres med utildekkede biler. I eksperimentet forble de dekkede bilene rundt 8 °C kjøligere enn de utildekkede bilene på varme sommerdager, og 6.8 °C varmere på kalde vinternetter.

"Dette er første gang vi kunne oppnå oppvarming over omgivelsestemperaturen med nesten 7 °C i løpet av vinternettene," beskriver Cui. "Dette er også litt overraskende for oss - det er ingen energitilførsel eller solskinn, og vi kan fortsatt bli varme." Denne passive reguleringen er spesielt viktig for elbiler, siden deres batterier og elektriske komponenter ikke uten videre tåler ekstreme temperatursvingninger.

For Cui og kolleger vil de neste trinnene være å oppskalere designen deres – noe som muligens fører til et mangfoldig utvalg av spennende praktiske applikasjoner. "Den termiske kappen er pålitelig, virkelig passiv, og involverer ikke faseendring eller bevegelige deler," fortsetter han. "Dette gjør det lovende for bruk i virkelige applikasjoner i bygninger, kjøretøy og til og med utenomjordiske miljøer."

Forskningen er beskrevet i Enhet.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden