En ny måde at give køling uden strøm

MIT-forskere har udtænkt en ny måde at give køling på en varm solskinsdag, brug af billige materialer og kræver ingen fossil brændstofgenereret strøm. Det passive system, som kan bruges til at supplere andre kølesystemer til at bevare mad og medicin i varme, steder uden for nettet, er i det væsentlige en højteknologisk version af en parasol.

Systemet tillader udsendelse af varme ved mellem-infrarødt lysområde, der kan passere lige ud gennem atmosfæren og stråle ud i det ydre rums kulde, stanser lige igennem de gasser, der fungerer som et drivhus. For at forhindre opvarmning i direkte sollys, en lille stribe metal suspenderet over enheden blokerer for solens direkte stråler.

Det nye system er beskrevet i denne uge i journalen Naturkommunikation i et papir af forsker Bikram Bhatia, kandidatstuderende Arny Leroy, professor i maskinteknik og afdelingsleder Evelyn Wang, professor i fysik Marin Soljacic, og seks andre på MIT.

I teorien, det system, de designede, kunne give en køling på så meget som 20 grader Celsius (36 grader Fahrenheit) under den omgivende temperatur på et sted som Boston, siger forskerne. Indtil nu, i deres første proof-of-concept test, de har opnået en afkøling på 6 C (ca. 11 F). Til applikationer, der kræver endnu mere køling, resten kunne opnås gennem konventionelle kølesystemer eller termoelektrisk køling.

Andre grupper har forsøgt at designe passive kølesystemer, der udsender varme i form af mellem-infrarøde bølgelængder af lys, men disse systemer har været baseret på komplekse konstruerede fotoniske enheder, der kan være dyre at lave og ikke let tilgængelige til udbredt brug, siger forskerne. Enhederne er komplekse, fordi de er designet til at reflektere alle bølgelængder af sollys næsten perfekt, og kun for at udsende stråling i det mellem-infrarøde område, for det meste. Denne kombination af selektiv reflektivitet og emissivitet kræver et flerlagsmateriale, hvor lagenes tykkelse styres til nanometerpræcision.

Men det viser sig, at lignende selektivitet kan opnås ved blot at blokere det direkte sollys med en smal strimmel placeret i den helt rigtige vinkel for at dække solens vej over himlen, kræver ingen aktiv sporing af enheden. Derefter, en simpel enhed bygget af en kombination af billig plastfilm, poleret aluminium, hvid maling, og isolering kan tillade den nødvendige udledning af varme gennem mid-infrarød stråling, sådan køler de fleste naturlige objekter af, samtidig med at enheden forhindres i at blive opvarmet af direkte sollys. Faktisk, simple strålende kølesystemer har været brugt siden oldtiden for at opnå natkøling; problemet var, at sådanne systemer ikke fungerede i dagtimerne, fordi sollysets varmeeffekt var mindst 10 gange stærkere end den maksimalt opnåelige køleeffekt.

Men solens varmestråler bevæger sig i lige linjer og blokeres let - som vi oplever, for eksempel, ved at træde ind i skyggen af ​​et træ på en varm dag. Ved at skygge enheden ved i det væsentlige at sætte en paraply over den, og supplere det med isolering omkring enheden for at beskytte den mod den omgivende lufttemperatur, forskerne gjorde passiv køling mere levedygtig.

"Vi byggede opsætningen og lavede udendørs eksperimenter på et MIT-tag, " Bhatia siger. "Det blev gjort ved hjælp af meget enkle materialer" og viste tydeligt effektiviteten af ​​systemet.

"Det er lidt vildledende simpelt, "Wang siger. "Ved at have en separat skygge og en emitter til atmosfæren - to separate komponenter, der kan være relativt billige - kræver systemet ikke en særlig evne til at udsende og absorbere selektivt. Vi bruger vinkelselektivitet til at tillade blokering af direkte sol, mens vi fortsætter med at udsende de varmebærende bølgelængder til himlen."

Dette projekt "inspirerede os til at genoverveje brugen af ​​'skygge, '" siger Yichen Shen, en forskningspartner og medforfatter til papiret. "I fortiden, folk har kun tænkt på at bruge det til at reducere opvarmningen. Men nu, vi ved, om skyggen bruges smart sammen med noget understøttende lysfiltrering, det kan faktisk bruges til at køle genstanden ned, " han siger.

En begrænsende faktor for systemet er fugt i atmosfæren, Leroy siger, som kan blokere noget af den infrarøde emission gennem luften. Et sted som Boston, tæt på havet og relativt fugtigt, dette begrænser den samlede mængde af køling, der kan opnås, begrænser det til omkring 20 grader Celsius. Men i tørre omgivelser, såsom det sydvestlige USA eller mange ørken- eller tørre miljøer rundt om i verden, den maksimalt opnåelige køling kunne faktisk være meget større, han påpeger, potentielt så meget som 40 C (72 F).

Mens det meste af forskningen i strålingskøling har fokuseret på større systemer, der kan anvendes til afkøling af hele rum eller bygninger, denne tilgang er mere lokaliseret, Wang siger:"Dette ville være nyttigt til køleapplikationer, såsom madopbevaring eller vacciner." beskytte vacciner og anden medicin mod fordærv i varme, tropiske forhold har været en stor vedvarende udfordring, som denne teknologi kunne være godt positioneret til at løse.

Selvom systemet ikke var tilstrækkeligt til at bringe temperaturen helt ned til de nødvendige niveauer, "det kunne i det mindste reducere belastningerne" på de elektriske kølesystemer, for at levere den sidste smule afkøling, siger Wang.

Systemet kan også være nyttigt til nogle former for koncentrerede solcelleanlæg, hvor spejle bruges til at fokusere sollys på en solcelle for at øge dens effektivitet. Men sådanne systemer kan let overophedes og kræver generelt aktiv termisk styring med væsker og pumper. I stedet, bagsiden af ​​sådanne koncentreringssystemer kunne udstyres med de midt-infrarøde emissive overflader, der anvendes i det passive kølesystem, og kunne styre opvarmningen uden nogen aktiv indgriben.

Mens de fortsætter med at arbejde på at forbedre systemet, den største udfordring er at finde måder at forbedre enhedens isolering på, for at forhindre, at den opvarmes for meget fra den omgivende luft, samtidig med at den ikke blokerer dens evne til at udstråle varme. "Den største udfordring er at finde isolerende materiale, der ville være infrarødt gennemsigtigt, "Siger Leroy.

Holdet har ansøgt om patenter på opfindelsen og håber, at den kan begynde at finde anvendelser i den virkelige verden ret hurtigt.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.