Płaszcz radiacyjny utrzymuje przedmioty w cieple i chłodzie – Physics World

Płaszcz radiacyjny utrzymuje przedmioty w cieple i chłodzie – Physics World

Znacznik czasu: 3 sierpnia 2023 3:07

Płaszcz termiczny na samochód
Gorąco i zimno: płaszcz termiczny Janus służy do chłodzenia samochodu elektrycznego latem i ogrzewania zimą. (Dzięki uprzejmości: Huaxu Qiao)

Naukowcy z Chin opracowali płaszcz termiczny, który może radiacyjnie chłodzić przedmioty w czasie upałów i utrzymywać je w cieple, gdy jest zimno. Kehang Cui z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju wraz ze współpracownikami twierdzą, że ich nowa technologia oferuje obiecujący sposób regulacji temperatury bez użycia energii.

Ogrzewanie i chłodzenie budynków odpowiada za około 20% światowego zużycia energii. W miarę jak zmiany klimatyczne zwiększają częstotliwość i nasilenie ekstremalnych warunków pogodowych, w nadchodzących dziesięcioleciach systemy kontroli temperatury ulegną dalszemu rozciągnięciu.

W rezultacie badaczom zależy na stworzeniu tanich, neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla technologii, które będą w stanie pasywnie regulować temperaturę, bez konieczności korzystania z źródła zasilania.

Działa w obie strony

Ważnym wyzwaniem przy tworzeniu takich systemów jest to, że konwencjonalne materiały regulujące ciepło nie mogą automatycznie zmieniać swojego zachowania radiacyjnego. Na przykład niektóre materiały chłodzące odbijają promieniowanie słoneczne, emitując jednocześnie promieniowanie średniej podczerwieni w „oknie przezroczystym”. To okno jest częścią widma elektromagnetycznego, w którym promieniowanie nie jest odbijane ani pochłaniane przez atmosferę, a emisja ta będzie miała efekt chłodzący. Jednak materiały te będą również emitować promieniowanie w niskich temperaturach, wyrzucając cenne ciepło.

Teraz Cui i współpracownicy stworzyli nowy „płaszcz termiczny Janusa” (JTC), który reguluje temperaturę we wszystkich temperaturach otoczenia. „Płaszcz składa się z całkowicie ceramicznej, chłodzonej radiacyjnie metatkaniny fononowej zwróconej w stronę nieba i skierowanej do wewnątrz folii przetwarzającej fotony” – wyjaśnia Cui.

Zespół wybrał te materiały ze względu na ich wysoką wytrzymałość i stabilność, niski koszt oraz doskonałą odporność na ogień i korozję. W rezultacie twierdzą, że płaszcz jest łatwy w produkcji i odporny na trudne warunki zewnętrzne.

Wykonana ze stopu aluminium wewnętrzna folia JTC ma wysoką przewodność cieplną, ale prawie doskonale odbija promieniowanie w całym spektrum podczerwieni, zatrzymując ciepło wewnątrz. Naukowcy twierdzą, że w zależności od dostępności materiałów można również zastosować materiały takie jak ceramika, miedź i stal nierdzewna.

Materiał hiperboliczny

Metatkanina JTC skierowana w stronę nieba składa się z rusztowania utkanego z plecionych włókien krzemionkowych połączonych z dwuwymiarowym sześciokątnym kryształem azotku boru. Tworzy się w ten sposób materiał „hiperboliczny”, którego reakcja na padające fale elektromagnetyczne zależy od kąta ich nadejścia.

W przeciwieństwie do folii znajdującej się pod spodem, metatkanina ma wyjątkowo niską przewodność cieplną, ale silnie odbija promieniowanie słoneczne – obejmujące zakres widzialny i bliską podczerwień. Dzieje się tak na skutek interakcji światła z materią wewnątrz metatkaniny, co powoduje rozproszenie promieniowania średniej podczerwieni wokół osi włókien krzemionkowych. W okienku transparentnym metatkanina oddaje praktycznie całe pochłonięte przez siebie promieniowanie, nie przenosząc go na folię.

W rezultacie ciepło w zamaskowanym obiekcie jest zwykle zatrzymywane, ale promieniowanie z otoczenia nie będzie miało tendencji do podgrzewania obiektu.

Zespół Cui przetestował JTC w samochodach elektrycznych zaparkowanych na ulicach Szanghaju i porównał temperaturę w kabinie z temperaturą w samochodach nieosłoniętych. W eksperymencie zakryte samochody pozostawały o około 8°C chłodniejsze niż samochody nieprzykryte w gorące letnie dni i o 6.8°C cieplejsze w mroźne zimowe noce.

„Po raz pierwszy udało nam się osiągnąć ocieplenie powyżej temperatury otoczenia o prawie 7°C podczas zimowych nocy” – opisuje Cui. „To także dla nas trochę zaskakujące – nie ma dopływu energii ani światła słonecznego, a mimo to możemy uzyskać ocieplenie”. Ta pasywna regulacja jest szczególnie ważna w przypadku samochodów elektrycznych, ponieważ ich akumulatory i komponenty elektryczne nie są w stanie z łatwością wytrzymać ekstremalnych wahań temperatury.

Następnym krokiem dla Cui i współpracowników będzie udoskonalenie projektu, co może prowadzić do różnorodnych, ekscytujących zastosowań praktycznych. „Płaszcz termiczny jest niezawodny, prawdziwie pasywny i nie obejmuje zmiany fazy ani ruchomych części” – kontynuuje. „To sprawia, że ​​jest on obiecujący do wykorzystania w rzeczywistych zastosowaniach w budynkach, pojazdach, a nawet w środowiskach pozaziemskich”.

Badania opisano w Urządzenie.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki