En Janus emitter til passiv varmeafgivelse fra skabe

Det er i øjeblikket en udfordring at effektivt afkøle lukkede rum, såsom stationære biler, der fanger varmen via drivhuseffekten. I en ny rapport i Videnskabens fremskridt , Se-Yeon Heo og et team af forskere inden for materialevidenskab, teknik og nanoarkitektonik i Japan og Republikken Korea, præsenteret en Janus -emitter (JET) til overfladekøling. De brugte et sølv (Ag)-polydimethylsiloxan (PDMS) lag på et mikromønstret kvartssubstrat, og materialet tillod dem at afkøle rummet, selv når JET'en var fastgjort i et kabinet. Som resultat, JET (Janus emitter) kunne passivt afbøde drivhuseffekten i indkapslinger og tilbyde overfladekøling, der kan sammenlignes med konventionelle strålingskølere.

Køleteknologier

Nutidens køleteknologier afhænger af dampkompression og væskekølede systemer, men de bruger cirka 10 procent af den globale energi, samtidig med at udtømningen af ​​fossile brændstoffer accelereres. Mellem 1990 og 2018, mængden af ​​kuldioxid (CO ₂ ) emissioner fra rumkøling er mere end tredoblet til 1130 millioner tons, sideløbende med eskalerende problemer med ozonnedbrydning og luftforurening. Jorden kan afkøle sig selv via strålingskøling en passiv termisk styringsstrategi for at udsende uønsket varme til det ydre rum uden energiforbrug, og passive strålende kølere har vist afkøling under omgivelserne, når de er fastgjort til udvendige materialer såsom taget eller endda menneskelig hud for at trække varme gennem konvektion eller ledning i dagtimerne. Imidlertid, sådanne strategier kan være ineffektive under ekstrem varmeakkumulering i stationære køretøjer, hvor ekstremt høje temperaturer kan udvikle sig under drivhuseffekten på grund af gennemsigtige vinduer, der tillader solstråling at komme ind, samtidig med at den er uigennemsigtig for den udgående langbølgede termiske stråling. I dette arbejde, Heo et al. foreslået en Janus termisk emitter til at fungere som en selektiv emitter (SE) på toppen og som en bredbånds emitter (BE) på bunden. Designet hentede effektivt varme fra det indre rum og overflade, mens toppen udsendte varme til rummet uden at forstyrre den omgivende stråling.

Forskerne designet først en polymer-baseret selektiv emitter (SE), der inkorporerer spoof overflade plasmon polariton (sSPP) for at opnå næsten ideel selektivitet. Derefter viste de teoretisk og eksperimentelt køleydelsen af ​​Janus emitter (JET) på begge sider, meget ligesom state-of-the-art strålingskølere. JET fungerede som en effektiv varmekanal til at absorbere bredbånds termisk stråling fra indersiden og bunden, mens du bruger oversiden til at udstråle varme som infrarøde (IR) bølger til det ydre rum, meget som en kold vask. Prøven indeholdt et polydimethylsiloxan (PDMS) lag, et 100 nm tykt sølvlag og et mikromønstret kvartslag belagt med 10 µm tykt PDMS på bunden. JET minimerede forstyrrelsen fra solenergi og omgivende stråling, hvor bundsiden bredt adsorberede indre termisk stråling. Holdet beregnede køleeffekterne og køletemperaturerne for den selektive emitter (SE) og bredbåndsemitter (BE) under undersøgelsen.

Heo et al. analyserede virkningerne af spoof overflade plasmon polariton (sSPP) resonanser på JET emissivitet og simuleringen viste stærke resonans absorption toppe exciterede mellem de to sSPP modes, på grund af opsætningens Fabry-Pérot-hulrumsresonans. JET'en viste vinkel-robust emissivitet nær det atmosfæriske vindue. Ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder observerede de den mikromønstrede kvarts med eller uden PDMS-belægning. De målte og simulerede emissivitetsspektre indikerede næsten ideelle funktioner i både selektive emittere (SE) og bredbåndsmålere (BE) i det fremstillede JET-system.

For at undersøge køleeffekten og køletemperaturen af ​​både selektive emittere og bredbåndssendere (SE og BE) i enheden, forskerne fik adgang til et udendørs tag på Gwangju Institute of Science (GIST). Holdet forhindrede selvopvarmning af den omgivende luftsensor ved at bruge en omgivende luftboks til at skygge for solspektret og sørgede for kontinuerlig luftstrøm til opsætningen. De testede temperatursensorerne for pålidelighed og brugte ikke et konvektionsskjold på grund af ufuldkommen transmittans. Resultaterne viste sub-ambient afkøling under forskellige vejrforhold, hvor dis og fugtighed hæmmede varmeoverførsel til atmosfæren. Heo et al. klassificerede steady-state energibalanceligningen i fire effektled, inklusive (1) effekt afgivet af prøven, (2) energi absorberet af atmosfærisk emission, (3) absorberet effekt af solbestråling og (4) ikke-bestråling varmeoverførsel, som omfattede ledning og konvektion. SE var mere effektiv under sub-ambient køling sammenlignet med BE. Holdet målte køleeffekten sammen med klimaforholdene under eksperimenterne.

Køleevne af JET i et lukket rum

Selvom varmeoverførsel hovedsageligt sker via konvektion i åbne områder, mekanismen kan variere i et lukket rum med en varmekilde. For eksempel, en bil parkeret under solen kan varme fra 60 grader op til 80 grader Celsius, selvom den omgivende temperatur kun er 21 grader Celsius, forårsager hypertermi hos beboende børn. Under Janus termisk stråling, JET (Janus-emittere) kan fungere som en varmekanal til at trække varme fra kabinettet og ændre temperaturfordelingen i det indre område væsentligt. JET er yderst effektiv til at tabe temperaturen fra det afskærmede område via bredbåndsabsorbering og tillader selektiv termisk emission gennem det atmosfæriske vindue.

Holdet udviklede en eksperimentel model med aluminiummetal og sort læder til at efterligne et stationært køretøjs interiør og gulv, parkeret under solen. De udførte eksperimentet på et tag og bemærkede JET's exceptionelle køleydelse i det lukkede rum gentagne gange på fire forskellige dage under forskellige vejrforhold. Baseret på resultaterne, holdet foreslog at erstatte det anvendte materiale her med andre polymerer for en række optimerede fordele, herunder en forbedret samlet kølekapacitet ved at minimere solenergi og øge termisk stråling. JET'ens overfladeegenskaber gav også vandtætte og selvrensende effekter.

På denne måde Se-Yeon Heo og kolleger viste, hvordan Janus-emittere gav en passiv strategi for selektiv emission til det ydre rum, sideløbende med bredbåndsabsorption på den modsatte side af kabinettet. For at opnå dette, de udviklede en næsten ideel selektiv emitter (SE) med spoof overflade plasmon polariton (sSPP) i en PDMS polymer beklædt på en sølvbelagt mikromønstret kvartsramme til eksperimenterne. De undersøgte JETs evne til at afkøle kabinetter, hvor den trak varme væk i forhold til andre materialer. Ved at bruge de tovejs emissionskarakteristika for Janus-emittere, holdet sænkede temperaturen på et strålingsobjekt i et kabinet, som simulerede et stationært bilmiljø. Den overlegne evne til passivt at afkøle både top- og bundflader samt lukkede rum kan tillade udviklingen af ​​avancerede designs for at minimere drivhuseffekten i lukkede rum såsom stationære biler.

© 2020 Science X Network