Kiinan tiedeakatemian Changchunin optiikan, hienomekaniikan ja fysiikan instituutin (CIOMP) tutkijat ovat edistyneet merkittävästi nollaenergiajäähdytyksessä kehittyneiden säteilyjäähdytystekniikoiden avulla. Heidän yhteistyönsä kehittivät suunnattuja lämpösäteilijöitä, joita kutsutaan AS-säteilijöiksi ja jotka jäähdyttävät pystysuorat pinnat päiväsaikaan. Löydökset, joiden otsikkona on "Pystypintojen alainen päiväaikainen säteilyjäähdytys", julkaistiin Science-lehdessä.
Haasteet säteilyjäähdytyksessä
Lämpösäteilyllä, joka on keskeinen energiansiirtoprosessi luonnossa, on perinteisesti isotrooppisia, epäkoherentteja, laajakaistaisia ja polarisoimattomia ominaisuuksia. Tämä johtaa rajoittamattomaan lämmönvaihtoon säteilevän kappaleen ja sen ympäristön välillä, mikä rajoittaa säteilylämmönsiirron tehokkuutta ja hallittavuutta.
Perinteiset säteilyjäähdytyslaitteet perustuvat laajoihin lämpösäteilyominaisuuksiin, mikä tekee niistä tehokkaita ensisijaisesti avoimilla vaakasuorilla pinnoilla, kuten katoilla. Nämä pinnat maksimoivat altistuksen viileämmälle taivaalle ja minimoivat lämmönvaihdon maan, ympäristön ja ilmakehän läpinäkymättömien ikkunoiden kanssa. Pystysuorat pinnat, kuten seinät, vaatteet tai ajoneuvon sivut, kohtaavat kuitenkin rajalliset näkökulmat taivaalle ja suuremman lämmönvaihdon ympäröivien esineiden kanssa, mikä vähentää merkittävästi jäähdytystehoa. Aiemmat globaalit yritykset hallita lämpösäteilyn spektriä tai kulmia ovat olleet vaikeuksia vastata ympäristön alajäähdytyksen haasteisiin pystysuorilla pinnoilla päivän aikana.
Innovatiivinen lähestymistapa ja havainnot
Professori Li Wein johtama CIOMP-tutkimusryhmä käytti termofotoniikkaa saavuttaakseen samanaikaisen kulma- ja spektrisäädön useilla aallonpituuskaistoilla. Heidän suunnittelemansa AS-emitteri sisältää poikkimittaisen epäsymmetrisen rakenteet, jotka tuottavat kulmikkaasti epäsymmetristä ja spektrisesti valikoivaa lämpösäteilyä. Tämä innovaatio mahdollisti tehokkaan säteilyjäähdytyksen päiväsaikaan pystypinnoille.
Tärkeimmät panokset:
Ilmakehän sopeutuminen: Tietäen, että ilmakehän läpäisykyky pienenee zeniittikulmien kasvaessa, tiimi suunnitteli emitterit ohjaamaan lämpösäteilyä pois kulmista, joissa ilmakehän läpäisykyky on alhaisin.
Auringon heijastus ja lämpöemissio: AS-säteilijä maksimoi auringon heijastuksen ja saavuttaa spektrin ja kulman optimoinnin infrapunakaistalla minimaalisen lämmön absorption saavuttamiseksi.
Suuri jäähdytysteho: Tutkimuksessa saavutettiin ~40 W/m² jäähdytysteho pystysuorille pinnoille, mikä ylitti rajoitukset, jotka aiheutuvat vähentyneestä taivaalle altistumisesta ja ympäröivien kohteiden lämpöhäiriöistä.
Tekniset perusteet:
Cross-Scale Structural Design: Emitteri hyödyntää epäsymmetrisiä rakenteita saavuttaakseen ei-vastavuoroisen avaruudellisen säteilyn jakautumisen.
Spektriselektiivisyys: Räätälöity emissio ilmakehän läpinäkyvyysikkunassa.
Termofotoniset periaatteet: Sisältää aaltoputket, fononilla tehostetun resonanssin ja symmetriaa rikkovia malleja.
Sovellukset ja vaikutukset
Tämä läpimurto tehostaa säteilyjäähdytyksen käytännön soveltamista erityisesti energiatehokkaaseen ilmastonhallintaan kaupunkiympäristöissä ja vertikaalisissa infrastruktuureissa. Tutkimus osoittaa myös suurta joustavuutta lämpöfotonikäsittelyssä, mikä luo mahdollisuuksia:
Tehokkaat jäähdytys- ja lämmitysjärjestelmät.
Kehittyneet energiansiirtotekniikat.
Erittäin tarkka lämmönhallinta optisissa ja ilmailujärjestelmissä.
Kiinan kansallisen luonnontieteiden säätiön tukema teos esittelee termofotoniikan mahdollisuuksia vastata maailmanlaajuisiin energiatehokkuuden ja kestävyyden haasteisiin.