Systemet sørger for køling uden elektricitet

Forestil dig en enhed, der kan sidde udenfor under brændende sollys på en klar dag, og uden at bruge strøm, køle tingene ned med mere end 23 grader Fahrenheit (13 grader Celsius). Det lyder næsten som magi, men et nyt system designet af forskere ved MIT og i Chile kan gøre præcis det.

Enheden, som ikke har bevægelige dele, virker ved en proces kaldet strålingskøling. Det blokerer for indkommende sollys for at undgå at varme det op, og samtidig effektivt udstråler infrarødt lys - som i det væsentlige er varme - der passerer direkte ud i himlen og ud i rummet, køling af enheden væsentligt under den omgivende lufttemperatur.

Nøglen til funktionen af ​​denne enkle, billigt system er en særlig form for isolering, lavet af et polyethylenskum kaldet en aerogel. Dette lette materiale, som ligner og føles lidt som skumfidus, blokerer og reflekterer de synlige sollysstråler, så de ikke trænger igennem det. Men det er meget gennemsigtigt for de infrarøde stråler, der bærer varme, så de kan passere frit udad.

Det nye system er i dag beskrevet i en artikel i tidsskriftet Videnskab fremskridt , af MIT -kandidatstuderende Arny Leroy, professor i maskinteknik og afdelingsleder Evelyn Wang, og syv andre ved MIT og på det pavelige katolske universitet i Chile.

Et sådant system kunne bruges, for eksempel, som en måde at forhindre, at grøntsager og frugt bliver fordærvet, potentielt fordoble den tid, hvor produkterne kunne forblive friske, på fjerntliggende steder, hvor pålidelig strøm til køling ikke er tilgængelig, Leroy forklarer.

Minimering af varmetilvækst

Radiativ køling er simpelthen den vigtigste proces, som de fleste varme genstande bruger til at køle ned. De udsender infrarød mellemtonestråling, som fører varmeenergien fra objektet direkte ud i rummet, fordi luften er meget gennemsigtig for infrarødt lys.

Den nye enhed er baseret på et koncept, som Wang og andre demonstrerede for et år siden, som også brugte radiativ køling, men brugte en fysisk barriere, en smal metalstrimmel, at skygge enheden mod direkte sollys for at forhindre den i at varme op. Den enhed virkede, men det gav mindre end halvdelen af ​​mængden af ​​køleeffekt, som det nye system opnår på grund af dets meget effektive isolerende lag.

"Det store problem var isolering, " Leroy forklarer. Den største tilførsel af varme, der forhindrede den tidligere enhed i at opnå dybere afkøling, var fra varmen fra den omgivende luft. "Hvordan holder man overfladen kold, mens den stadig lader den udstråle?" undrede han sig. Problemet er, at næsten alle isoleringsmaterialer er også meget gode til at blokere infrarødt lys og vil derfor forstyrre den strålingskølende effekt.

Der har været meget forskning i måder at minimere varmetab, siger Wang, hvem er Gail E. Kendall professor i maskinteknik. Men dette er et andet spørgsmål, der har fået meget mindre opmærksomhed:hvordan man minimerer varmeforøgelsen. "Det er et meget vanskeligt problem, " hun siger.

Løsningen kom gennem udviklingen af ​​en ny form for aerogel. Aerogeler er lette materialer, der hovedsageligt består af luft og giver meget god varmeisolering, med en struktur bestående af mikroskopiske skumlignende formationer af noget materiale. Teamets nye indsigt var at lave en aerogel af polyethylen, det materiale, der bruges i mange plastikposer. Resultatet er en blød, squishy, hvidt materiale, der er så let, at et givet volumen vejer kun 1/50 så meget som vand.

Nøglen til dens succes er, at selvom den blokerer mere end 90 procent af indkommende sollys, dermed beskytter overfladen nedenunder mod opvarmning, det er meget gennemsigtigt for infrarødt lys, lader omkring 80 procent af varmestrålerne passere frit udad. "Vi var meget begejstrede, da vi så dette materiale, "Siger Leroy.

Resultatet er, at det dramatisk kan køle en tallerken ned, lavet af et materiale som metal eller keramik, placeret under isoleringslaget, som omtales som en emitter. Den plade kunne så køle en beholder forbundet til den, eller kølig væske, der passerer gennem spoler i kontakt med den, at give afkøling til produkter eller luft eller vand.

At sætte enheden på prøve

For at teste deres forudsigelser om dets effektivitet, teamet sammen med deres chilenske samarbejdspartnere oprettede en proof-of-concept-enhed i Chiles Atacama-ørken, dele er det tørreste land på Jorden. De får næsten ingen nedbør, endnu, at være lige ved ækvator, de modtager brændende sollys, der kan sætte enheden på en reel prøve. Enheden opnåede en afkøling på 13 grader Celsius under fuldt sollys ved solmiddag. Lignende tests på MIT's campus i Cambridge, Massachusetts, opnået lige under 10 graders afkøling.

Det er tilstrækkelig køling til at gøre en væsentlig forskel i bevarelse af produkter på fjerntliggende steder, siger forskerne. Ud over, det kunne bruges til at give et indledende afkølingstrin til elektrisk køling, dermed minimere belastningen på disse systemer for at tillade dem at fungere mere effektivt med mindre strøm.

Teoretisk set, en sådan enhed kunne opnå en temperaturreduktion på så meget som 50 C, siger forskerne, så de fortsætter med at arbejde på måder til yderligere at optimere systemet, så det kan udvides til andre køleapplikationer som f.eks. bygningsklimaanlæg uden behov for nogen strømkilde. Radiativ køling er allerede blevet integreret med nogle eksisterende klimaanlæg for at forbedre deres effektivitet.

Allerede, selvom, de har opnået en større mængde af afkøling under direkte sollys end nogen anden passiv, andre strålesystemer end dem, der bruger et vakuumsystem til isolering - hvilket er meget effektivt, men også tungt, dyrt, og skrøbelige.

Denne tilgang kunne også være en billig tilføjelse til enhver anden form for kølesystem, giver yderligere køling som supplement til et mere konventionelt system. "Uanset hvilket system du har, " siger Leroy, "læg aerogelen på den, og du vil få meget bedre ydeevne."

Peter Bermel, en lektor i elektro- og computerteknik ved Purdue University, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, "Den største potentielle fordel ved polyethylenaerogelen, der præsenteres her, kan være dens relative kompakthed og enkelhed, sammenlignet med en række tidligere eksperimenter."

Han tilføjer, "Det kan være nyttigt at sammenligne og sammenligne denne metode kvantitativt med nogle alternativer, såsom polyethylenfilm og vinkelselektiv blokering med hensyn til ydeevne (f.eks. temperaturændring), koste, og vægt pr. arealenhed. … Den praktiske fordel kunne være betydelig, hvis sammenligningen blev udført, og cost/benefit-afvejningen begunstigede disse aerogeler betydeligt."