Polymerbelægning køler bygninger ned

Med stigende temperaturer og hedebølger, der forstyrrer liv rundt om i verden, køleløsninger bliver stadig mere essentielle. Dette er et kritisk spørgsmål, især i udviklingslande, hvor sommervarmen kan være ekstrem og forventes at blive intensiveret. Men almindelige kølemetoder såsom klimaanlæg er dyre, forbruger betydelige mængder energi, kræver let adgang til elektricitet, og kræver ofte kølemidler, der nedbryder ozon eller har en stærk drivhuseffekt.

Et alternativ til disse energiintensive kølemetoder er passiv dagkøling (PDRC), et fænomen, hvor en overflade afkøles spontant ved at reflektere sollys og udstråle varme til den koldere atmosfære. PDRC er mest effektiv, hvis en overflade har en høj solreflektans (R), der minimerer solvarmeforstærkningen, og en høj, termisk emittans (ε), der maksimerer strålingsvarmetab til himlen. Hvis R og ε er tilstrækkeligt høje, der kan opstå et netto varmetab, selv under sollys.

Det har været udfordrende at udvikle praktiske PDRC-designs:mange nyere designforslag er komplekse eller dyre, og kan ikke implementeres i vid udstrækning eller anvendes på tage og bygninger, som har forskellige former og teksturer. Indtil nu, hvid maling, som er billige og nemme at anvende, har været benchmark for PDRC. Hvid maling, imidlertid, har normalt pigmenter, der absorberer UV-lys, og reflekterer ikke længere solbølgelængder særlig godt, så deres præstation er i bedste fald kun beskeden.

Forskere ved Columbia Engineering har opfundet en højtydende udvendig PDRC-polymerbelægning med nano-til-mikroskala lufthuller, der fungerer som en spontan luftkøler og kan fremstilles, farvede, og påført som maling på tage, bygninger, vandtanke, køretøjer, selv rumfartøjer - alt, der kan males. De brugte en opløsningsbaseret fase-inversionsteknik, der giver polymeren en porøs skumlignende struktur. Lufthullerne i den porøse polymer spreder og reflekterer sollys, på grund af forskellen i brydningsindekset mellem lufthullerne og den omgivende polymer. Polymeren bliver hvid og undgår dermed solvarme, mens dens iboende emission får den til effektivt at miste varme til himlen. Undersøgelsen er offentliggjort online i dag i Videnskab .

Holdet – Yuan Yang, assisterende professor i materialevidenskab og teknik; Nanfang Yu, lektor i anvendt fysik; og Jyotirmoy Mandal, hovedforfatter af undersøgelsen og en ph.d.-studerende i Yangs gruppe (alle afdelinger for anvendt fysik og anvendt matematik) - bygget på tidligere arbejde, der viste, at simple plastik og polymerer, inklusive akryl, silikone, og PET, er fremragende varmeradiatorer og kan bruges til PDRC. Udfordringerne var, hvordan man får disse normalt gennemsigtige polymerer til at reflektere sollys uden at bruge sølvspejle som reflektorer, og hvordan man gør dem lette at implementere.

De besluttede at bruge fase-inversion, fordi det er en simpel, løsningsbaseret metode til fremstilling af lysspredende lufthuller i polymerer. Polymerer og opløsningsmidler bruges allerede i maling, og Columbia Engineering-metoden erstatter i det væsentlige pigmenterne i hvid maling med lufthuller, der reflekterer alle bølgelængder af sollys, fra UV til infrarød.

"Denne enkle, men fundamentale modifikation giver enestående R og ε, der er lig med eller overgår dem i state-of-the-art PDRC-design, men med en bekvemmelighed, der er næsten malingslignende, siger Mandal.

Forskerne fandt deres polymerbelægnings høje solreflektans (R> 96 %) og høj termisk emittans (ε ~ ​​97 %) holdt det betydeligt køligere end dets miljø under vidt forskellige himmelstrøg, f.eks. ved 6 C i det varme, tør ørken i Arizona og 3 C i tåget, tropisk miljø i Bangladesh. "Det faktum, at afkøling opnås i både ørken og tropisk klima, uden nogen termisk beskyttelse eller afskærmning, demonstrerer anvendeligheden af ​​vores design, hvor som helst køling er påkrævet, " bemærker Yang.

Holdet skabte også farvede polymerbelægninger med køleegenskaber ved at tilføje farvestoffer. "At opnå en overlegen balance mellem farve og køleydelse i forhold til nuværende maling er et af de vigtigste aspekter af vores arbejde, " Yu noter. "For udvendige belægninger, farvevalget er ofte subjektivt, og malingsproducenter har forsøgt at lave farvede belægninger, som dem til tage, i årtier."

Gruppen tog miljø- og driftsspørgsmål, såsom genanvendelighed, biokompatibilitet, og drift ved høje temperaturer, i betragtning, og viste, at deres teknik kan generaliseres til en række polymerer for at opnå disse funktionaliteter. "Polymerer er en utrolig forskelligartet klasse af materialer, og fordi denne teknik er generisk, yderligere ønskværdige egenskaber kan bekvemt integreres i vores PDRC-belægninger, hvis egnede polymerer er tilgængelige, " tilføjer Mandal.

"Naturen tilbyder mange måder at varme og køle på, hvoraf nogle er yderst velkendte og bredt undersøgte og andre der er dårligt kendte. Strålende køling - ved at bruge himlen som køleplade - tilhører sidstnævnte gruppe, og dets potentiale er underligt nok blevet overset af materialeforskere indtil for et par år siden, " siger professor i fysik ved Uppsala Universitet Claes-Göran Granqvist, en pioner inden for radiativ køling, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Publikationen af ​​Mandal et al. fremhæver vigtigheden af ​​strålingskøling og repræsenterer et vigtigt gennembrud ved at demonstrere, at hierarkisk porøse polymerbelægninger, som kan tilberedes billigt og bekvemt, giver fremragende afkøling selv i fuldt sollys."

Yang, Yu, og Mandal forfiner deres design med hensyn til anvendelighed, mens man udforsker muligheder såsom brugen af ​​fuldstændig biokompatible polymerer og opløsningsmidler. De er i dialog med industrien om de næste skridt.

"Nu er et kritisk tidspunkt at udvikle lovende løsninger for bæredygtig menneskehed, "Yang bemærker, "Dette år, vi var vidne til hedebølger og rekordhøje temperaturer i Nordamerika, Europa, Asien, og Australien. Det er vigtigt, at vi finder løsninger på denne klimaudfordring, og vi er meget glade for at arbejde på denne nye teknologi, der adresserer det."

Yu tilføjer, at han plejede at tro, at hvid var den mest uopnåelige farve:"Da jeg studerede akvarelmaling for år siden, hvid maling var den dyreste. Cremnitz hvid eller blyhvid var valget af store mestre, herunder Rembrandt og Lucian Freud. Vi har nu demonstreret, at hvid faktisk er den mest opnåelige farve. Det kan laves ved hjælp af intet andet end lufthuller i passende størrelse indlejret i et gennemsigtigt medium. Lufthuller er det, der gør snehvide og Saharas sølvmyrer sølvfarvede."

Undersøgelsen har titlen "Hierarkisk porøse polymerbelægninger til højeffektiv passiv strålekøling i dagtimerne."