Passivt kølesystem kan være til gavn for steder uden for nettet

Efterhånden som verden bliver varmere, forventes brugen af ​​strømkrævende klimaanlæg at stige betydeligt, hvilket vil belaste eksisterende elnet og omgå mange steder med ringe eller ingen pålidelig elektrisk strøm. Nu tilbyder et innovativt system udviklet på MIT en måde at bruge passiv køling til at bevare fødevareafgrøder og supplere konventionelle klimaanlæg i bygninger uden behov for strøm og kun et lille behov for vand.

Systemet, som kombinerer strålingskøling, fordampningskøling og termisk isolering i en slank pakke, der kunne minde om eksisterende solpaneler, kan levere op til omkring 19 grader Fahrenheit (9,3 grader Celsius) af køling fra den omgivende temperatur, nok til at tillade sikker mad opbevaring i omkring 40 procent længere under meget fugtige forhold. Det kunne tredoble den sikre opbevaringstid under tørre forhold.

Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Cell Reports Physical Science , i et papir af MIT postdoc Zhengmao Lu, Arny Leroy Ph.D. '21, professorerne Jeffrey Grossman og Evelyn Wang og to andre. Mens der er behov for mere forskning for at nedbringe omkostningerne ved en nøglekomponent i systemet, siger forskerne, at et sådant system i sidste ende kan spille en væsentlig rolle i forhold til at opfylde kølebehovet i mange dele af verden, hvor mangel på elektricitet eller vand begrænser brugen af ​​konventionelle kølesystemer.

Systemet kombinerer på en smart måde tidligere selvstændige køledesigns, der hver især giver begrænsede mængder af kølekraft, for at producere betydeligt mere køling samlet set - nok til at hjælpe med at reducere fødevaretab fra fordærv i dele af verden, der allerede lider under begrænsede fødevareforsyninger. I erkendelse af dette potentiale er forskerholdet blevet delvist støttet af MIT's Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab.

"Denne teknologi kombinerer nogle af de gode egenskaber ved tidligere teknologier, såsom fordampningskøling og strålingskøling," siger Lu. Ved at bruge denne kombination, siger han, "viser vi, at du kan opnå betydelig forlængelse af fødevarelevetiden, selv i områder, hvor du har høj luftfugtighed," hvilket begrænser mulighederne for konventionelle fordampnings- eller strålingskølesystemer.

På steder, der har eksisterende klimaanlæg i bygninger, kunne det nye system bruges til at reducere belastningen på disse systemer betydeligt ved at sende koldt vand til den varmeste del af systemet, kondensatoren. "Ved at sænke kondensatortemperaturen kan du effektivt øge klimaanlæggets effektivitet, så du på den måde potentielt kan spare energi," siger Lu.

Andre grupper har også forfulgt passive køleteknologier, siger han, men "ved at kombinere disse funktioner på en synergistisk måde er vi nu i stand til at opnå høj køleydelse, selv i områder med høj luftfugtighed, hvor tidligere teknologi generelt ikke kan klare sig godt."

Systemet består af tre lag materiale, som tilsammen sørger for køling, når vand og varme passerer gennem enheden. I praksis kunne enheden minde om et konventionelt solpanel, men i stedet for at slukke for elektricitet, ville det direkte give køling, for eksempel ved at fungere som taget på en fødevareopbevaringsbeholder. Eller det kan bruges til at sende afkølet vand gennem rør for at køle dele af et eksisterende klimaanlæg og forbedre dets effektivitet. Den eneste vedligeholdelse, der kræves, er at tilsætte vand til fordampningen, men forbruget er så lavt, at det kun skal gøres cirka en gang hver fjerde dag i de varmeste, tørreste områder og kun en gang om måneden i vådere områder.

Det øverste lag er en aerogel, et materiale, der hovedsageligt består af luft, der er indesluttet i hulrummene i en svampelignende struktur lavet af polyethylen. Materialet er meget isolerende, men tillader frit både vanddamp og infrarød stråling at passere igennem. Fordampningen af ​​vand (der stiger op fra laget nedenunder) giver noget af den kølende kraft, mens den infrarøde stråling, der drager fordel af den ekstreme gennemsigtighed af Jordens atmosfære ved disse bølgelængder, udstråler noget af varmen lige op gennem luften og ud i rummet —i modsætning til klimaanlæg, som spyr varm luft ud i det umiddelbare omgivende miljø.

Under aerogelen er et lag af hydrogel - et andet svampelignende materiale, men et hvis porerum er fyldt med vand i stedet for luft. Det ligner materiale, der i øjeblikket bruges kommercielt til produkter som kølepuder eller sårforbindinger. Dette giver vandkilden til fordampningsafkøling, da vanddamp dannes på overfladen, og dampen passerer op lige gennem aerogellaget og ud til omgivelserne.

Under det reflekterer et spejllignende lag alt indkommende sollys, der har nået det, og sender det tilbage op gennem enheden i stedet for at lade det varme materialerne op og dermed reducere deres termiske belastning. Og det øverste lag af aerogel, som er en god isolator, er også meget solreflekterende, hvilket begrænser mængden af ​​solopvarmning af enheden, selv under stærkt direkte sollys.

"Nyheden her er egentlig bare at samle den strålingskølingsfunktion, den fordampende kølefunktion og også den termiske isoleringsfunktion sammen i én arkitektur," forklarer Lu. Systemet blev testet med en lille version, kun 4 tommer på tværs, på taget af en bygning på MIT, hvilket beviste dets effektivitet selv under suboptimale vejrforhold, siger Lu, og opnåede 9,3 C af køling (18,7 F).

"Udfordringen tidligere var, at fordampningsmaterialer ofte ikke håndterer solabsorption godt," siger Lu. "Med disse andre materialer bliver de normalt opvarmet, når de er under solen, så de er ude af stand til at opnå høj køleeffekt ved den omgivende temperatur."

Aerogelmaterialets egenskaber er en nøgle til systemets samlede effektivitet, men det materiale er på nuværende tidspunkt dyrt at fremstille, da det kræver særligt udstyr til kritisk punkttørring (CPD) for at fjerne opløsningsmidler langsomt fra den sarte porøse struktur uden at beskadige den. Nøglekarakteristikken, der skal kontrolleres for at give de ønskede egenskaber, er størrelsen af ​​porerne i aerogelen, som er fremstillet ved at blande polyethylenmaterialet med opløsningsmidler, så det kan sætte sig som en skål med Jell-O, og derefter få opløsningsmidler ud af det. Forskerholdet undersøger i øjeblikket måder til enten at gøre denne tørreproces billigere, såsom ved at bruge frysetørring, eller finde alternative materialer, der kan give den samme isolerende funktion til lavere omkostninger, såsom membraner adskilt af en luftspalte.

Mens de andre materialer, der bruges i systemet, er let tilgængelige og relativt billige, siger Lu, "aerogelen er det eneste materiale, der er et produkt fra laboratoriet, der kræver yderligere udvikling i form af masseproduktion." Og det er umuligt at forudsige, hvor lang tid den udvikling kan tage, før dette system kan gøres praktisk til udbredt brug, siger han.

Forskerholdet omfattede Lenan Zhang fra MIT's Department of Mechanical Engineering og Jatin Patil fra Department of Materials Science and Engineering. + Udforsk yderligere

Et termisk styringsmateriale, der reagerer på varme eller kulde ved at folde eller folde ud uden behov for en strømkilde