Áo choàng bức xạ giữ ấm và làm mát các vật thể – Physics World

Áo choàng bức xạ giữ ấm và làm mát các vật thể – Physics World

Dấu thời gian: 3:2023 sáng ngày 3 tháng 07 năm XNUMX

Áo giữ nhiệt trên ô tô
Nóng và lạnh: Áo giữ nhiệt Janus đã được sử dụng để giữ cho ô tô điện mát vào mùa hè và ấm vào mùa đông. (Lịch sự: Huaxu Qiao)

Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã phát triển một loại áo choàng nhiệt có thể làm mát các vật thể bằng bức xạ trong thời tiết nóng và giữ ấm cho chúng khi trời lạnh. Kehang Cui tại Đại học Shanghai Jiao Tong và các đồng nghiệp cho biết công nghệ mới của họ đưa ra một phương pháp đầy hứa hẹn để điều chỉnh nhiệt độ mà không cần cung cấp năng lượng.

Việc sưởi ấm và làm mát các tòa nhà chiếm khoảng 20% ​​mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu. Khi biến đổi khí hậu làm tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của thời tiết khắc nghiệt, các hệ thống kiểm soát nhiệt độ sẽ còn được mở rộng hơn nữa trong những thập kỷ tới.

Do đó, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc tạo ra các công nghệ chi phí thấp, trung hòa carbon, có thể điều chỉnh nhiệt độ một cách thụ động mà không cần sử dụng nguồn điện.

Làm việc cả hai cách

Một thách thức quan trọng trong việc tạo ra những hệ thống như vậy là các vật liệu điều chỉnh nhiệt thông thường không thể tự động chuyển đổi trạng thái bức xạ của chúng. Ví dụ, một số vật liệu làm mát phản xạ bức xạ mặt trời, đồng thời phát ra bức xạ hồng ngoại trung bình trong “cửa sổ trong suốt”. Cửa sổ này là một phần của quang phổ điện từ, nơi bức xạ không bị phản xạ hoặc hấp thụ bởi khí quyển và sự phát xạ này sẽ có tác dụng làm mát. Tuy nhiên, những vật liệu này cũng sẽ phát ra bức xạ ở nhiệt độ lạnh, thải ra lượng nhiệt quý giá.

Giờ đây, Cui và các đồng nghiệp đã tạo ra “áo choàng nhiệt Janus” (JTC) mới, có khả năng điều chỉnh nhiệt độ ở mọi nhiệt độ môi trường xung quanh. Cui giải thích: “Chiếc áo choàng bao gồm một siêu vải âm vị làm mát bằng bức xạ hoàn toàn bằng gốm hướng lên bầu trời và một lá tái chế photon hướng vào bên trong”.

Nhóm nghiên cứu đã chọn những vật liệu này vì độ bền và độ ổn định cao, chi phí thấp và khả năng chống cháy và ăn mòn tuyệt vời. Do đó, họ nói rằng chiếc áo choàng này rất dễ sản xuất và có khả năng chống chọi với môi trường ngoài trời khắc nghiệt.

Được làm từ hợp kim nhôm, lớp lá bên trong của JTC có độ dẫn nhiệt cao nhưng phản xạ gần như hoàn hảo với bức xạ trên toàn bộ phổ hồng ngoại – giữ nhiệt bên trong. Các nhà nghiên cứu cho biết các vật liệu bao gồm gốm sứ, đồng và thép không gỉ cũng có thể được sử dụng, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu sẵn có.

Vật liệu hyperbol

Siêu vải hướng lên bầu trời của JTC bao gồm một giàn giáo được dệt từ các sợi silica bện được liên kết với tinh thể boron nitride hình lục giác 2D. Điều này tạo ra một loại vật liệu “hyperbol”, phản ứng của nó trước các sóng điện từ tới phụ thuộc vào góc tiếp cận của chúng.

Ngược lại với lớp giấy bạc bên dưới, siêu vải có độ dẫn nhiệt cực thấp nhưng có khả năng phản xạ cao với bức xạ mặt trời – bao phủ phạm vi nhìn thấy và cận hồng ngoại. Điều này là do sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất bên trong siêu vải, khiến bức xạ hồng ngoại giữa phân tán xung quanh trục của các sợi silica của nó. Trong cửa sổ trong suốt, siêu vải phát lại hầu như toàn bộ bức xạ mà nó hấp thụ mà không chuyển nó sang giấy bạc.

Kết quả là nhiệt bên trong vật thể được che giấu có xu hướng được giữ lại nhưng bức xạ từ môi trường sẽ không có xu hướng làm nóng vật thể.

Nhóm của Cui đã thử nghiệm JTC trên ô tô điện đậu trên đường phố Thượng Hải và so sánh nhiệt độ trong cabin của chúng với ô tô không che chắn. Trong thử nghiệm, những chiếc ô tô có mái che vẫn mát hơn khoảng 8°C so với những chiếc ô tô không có mái che vào những ngày hè nóng bức và ấm hơn 6.8°C vào những đêm mùa đông lạnh giá.

Cui mô tả: “Đây là lần đầu tiên chúng ta có thể đạt được sự nóng lên cao hơn nhiệt độ môi trường gần 7°C trong những đêm mùa đông”. “Điều này cũng khiến chúng tôi ngạc nhiên – không có năng lượng đầu vào hay ánh nắng mặt trời mà chúng ta vẫn có thể ấm lên.” Quy định thụ động này đặc biệt quan trọng đối với ô tô điện, vì pin và các bộ phận điện của chúng không thể chịu được sự thay đổi nhiệt độ quá cao.

Đối với Cui và các đồng nghiệp, các bước tiếp theo sẽ là nâng cấp thiết kế của họ – có thể dẫn đến một loạt ứng dụng thực tế thú vị. “Áo choàng nhiệt đáng tin cậy, thực sự thụ động và không liên quan đến sự thay đổi pha hoặc các bộ phận chuyển động,” ông tiếp tục. “Điều này khiến nó hứa hẹn được sử dụng trong các ứng dụng trong thế giới thực trong các tòa nhà, phương tiện và thậm chí cả môi trường ngoài trái đất.”

Nghiên cứu được mô tả trong Dụng cụ.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý