Радиационная мантия сохраняет объекты теплыми и холодными

Радиационная мантия сохраняет объекты теплыми и холодными

Отметка времени: 3 августа 2023 г., 3:07

Термоплащ на машину
Жарко и холодно: тепловая накидка Janus используется для того, чтобы летом в электромобиле было прохладно, а зимой — тепло. (Предоставлено: Хуаксу Цяо)

Исследователи из Китая разработали тепловой плащ, который может радиационно охлаждать объекты в жаркую погоду и согревать их в холодную погоду. Кеханг Цуй из Шанхайского университета Цзяо Тонг и его коллеги говорят, что их новая технология предлагает многообещающий способ регулирования температуры без затрат энергии.

На обогрев и охлаждение зданий приходится около 20% мирового потребления энергии. По мере того как изменение климата увеличивает частоту и суровость экстремальных погодных условий, в ближайшие десятилетия системы контроля температуры будут расширяться.

В результате исследователи стремятся создать недорогие, углеродно-нейтральные технологии, которые могут пассивно регулировать температуру, не используя источник питания.

Работа в обе стороны

Важной проблемой при создании таких систем является то, что обычные терморегулирующие материалы не могут автоматически переключать свои излучательные свойства. Например, некоторые охлаждающие материалы отражают солнечное излучение, излучая при этом среднее инфракрасное излучение в «окне прозрачности». Это окно является частью электромагнитного спектра, где излучение не отражается и не поглощается атмосферой, и это излучение будет иметь охлаждающий эффект. Однако эти материалы также излучают излучение при низких температурах, отбрасывая драгоценное тепло.

Теперь Цуй и его коллеги создали новый «тепловой плащ Януса» (JTC), который регулирует температуру при любых температурах окружающей среды. «Плащ состоит из полностью керамической фононной метаткани с радиационным охлаждением, обращенной к небу, и фольги, перерабатывающей фотоны, обращенной внутрь», — объясняет Цуй.

Команда выбрала эти материалы из-за их высокой прочности и стабильности, низкой стоимости и отличной устойчивости к огню и коррозии. В результате они говорят, что плащ прост в изготовлении и устойчив к суровым условиям окружающей среды.

Внутренняя фольга JTC, изготовленная из алюминиевого сплава, обладает высокой теплопроводностью, но почти идеально отражает излучение во всем инфракрасном спектре, задерживая тепло внутри. Исследователи говорят, что такие материалы, как керамика, медь и нержавеющая сталь, также могут быть использованы, в зависимости от доступности материала.

Гиперболический материал

Обращенная к небу метаткань JTC состоит из каркаса, сотканного из плетеных кварцевых волокон, которые соединены с двухмерным гексагональным кристаллом нитрида бора. Это создает «гиперболический» материал, реакция которого на падающие электромагнитные волны зависит от угла их подхода.

В отличие от фольги под ним, метаткань имеет чрезвычайно низкую теплопроводность, но хорошо отражает солнечное излучение, охватывая видимый и ближний инфракрасный диапазоны. Это происходит из-за взаимодействия света и материи внутри метаткани, из-за чего среднее инфракрасное излучение рассеивается вокруг осей ее кварцевых волокон. В окне прозрачности метаткань переизлучает практически все поглощаемое ею излучение, не передавая его фольге.

В результате тепло внутри замаскированного объекта имеет тенденцию сохраняться, но излучение из окружающей среды не будет нагревать объект.

Команда Цуя протестировала JTC на электромобилях, припаркованных на улицах Шанхая, и сравнила температуру их салонов с открытыми автомобилями. В ходе эксперимента крытые автомобили оставались примерно на 8°C холоднее, чем открытые автомобили в жаркие летние дни, и на 6.8°C теплее холодными зимними ночами.

«Это первый раз, когда нам удалось достичь потепления выше температуры окружающей среды почти на 7 ° C в зимние ночи», — описывает Цуй. «Это также немного удивительно для нас — нет поступления энергии или солнечного света, и мы все еще можем согреться». Это пассивное регулирование особенно важно для электромобилей, поскольку их батареи и электрические компоненты не могут легко выдерживать резкие перепады температуры.

Для Куи и его коллег следующим шагом станет усовершенствование их дизайна, что, возможно, приведет к разнообразным интересным практическим приложениям. «Тепловой плащ надежен, действительно пассивен и не требует фазового перехода или движущихся частей», — продолжает он. «Это делает его многообещающим для использования в реальных приложениях в зданиях, транспортных средствах и даже внеземных средах».

Исследование описано в Устройство.

Отметка времени:

Больше от Мир физики