science >> Wetenschap >  >> Elektronica

Systeem zorgt voor koeling zonder elektriciteit

Op de foto links, een schijf van het nieuwe isolatiemateriaal blokkeert en reflecteert zichtbaar licht, het MIT-logo eronder verbergen. Maar gezien in infrarood licht, rechts, het materiaal is transparant en het logo is zichtbaar. Krediet:Arny Leroy, Evelien Wang, et. al

Stel je een apparaat voor dat op een heldere dag buiten kan zitten onder fel zonlicht, en zonder stroom te gebruiken, koelt de boel af met meer dan 13 graden Celsius. Het klinkt bijna als magie, maar een nieuw systeem ontworpen door onderzoekers van MIT en in Chili kan precies dat doen.

Het apparaat, die geen bewegende delen heeft, werkt door een proces dat stralingskoeling wordt genoemd. Het blokkeert binnenkomend zonlicht om te voorkomen dat het opwarmt, en tegelijkertijd efficiënt infrarood licht uitstraalt - dat in wezen warmte is - dat rechtstreeks de lucht in de ruimte ingaat, het apparaat aanzienlijk onder de omgevingsluchttemperatuur koelen.

De sleutel tot het functioneren van deze eenvoudige, goedkoop systeem is een speciaal soort isolatie, gemaakt van een polyethyleenschuim dat een aerogel wordt genoemd. Dit lichtgewicht materiaal, die er een beetje uitziet en aanvoelt als marshmallow, blokkeert en weerkaatst de zichtbare zonnestralen zodat ze er niet doorheen dringen. Maar het is zeer transparant voor de infrarode stralen die warmte transporteren, waardoor ze vrij naar buiten kunnen gaan.

Het nieuwe systeem wordt vandaag beschreven in een paper in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , door MIT-afgestudeerde student Arny Leroy, hoogleraar werktuigbouwkunde en afdelingshoofd Evelyn Wang, en zeven anderen aan het MIT en aan de Pauselijke Katholieke Universiteit van Chili.

Een dergelijk systeem zou kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, als een manier om te voorkomen dat groenten en fruit bederven, mogelijk een verdubbeling van de tijd dat de producten vers kunnen blijven, op afgelegen plaatsen waar geen betrouwbare stroomvoorziening voor koeling beschikbaar is, legt Leroy uit.

Minimaliseren van warmtewinst

Stralingskoeling is gewoon het belangrijkste proces dat de meeste hete objecten gebruiken om af te koelen. Ze zenden midrange infraroodstraling uit, die de warmte-energie van het object rechtstreeks de ruimte in transporteert omdat lucht zeer transparant is voor infrarood licht.

Het nieuwe apparaat is gebaseerd op een concept dat Wang en anderen een jaar geleden demonstreerden, die ook stralingskoeling gebruikte maar een fysieke barrière gebruikte, een smalle strook metaal, om het apparaat te beschermen tegen direct zonlicht om te voorkomen dat het opwarmt. Dat apparaat werkte, maar het leverde minder dan de helft van het koelvermogen dat het nieuwe systeem bereikt vanwege de zeer efficiënte isolerende laag.

"Het grote probleem was isolatie, " legt Leroy uit. De grootste warmtetoevoer die verhinderde dat het eerdere apparaat diepere koeling bereikte, was de warmte van de omringende lucht. "Hoe houd je het oppervlak koud terwijl het toch uitstraalt?", vroeg hij zich af. Het probleem is dat bijna alle isolatiematerialen zijn ook erg goed in het blokkeren van infrarood licht en zouden dus het stralingskoeleffect verstoren.

Er is veel onderzoek gedaan naar manieren om warmteverlies te minimaliseren, zegt Wang, wie is de Gail E. Kendall hoogleraar Werktuigbouwkunde. Maar dit is een andere kwestie die veel minder aandacht heeft gekregen:hoe warmtewinst te minimaliseren. "Het is een heel moeilijk probleem, " ze zegt.

Bij veldproeven, de prestaties van het stralingskoelapparaat werden gemeten onder vol zonlicht, zowel met het isolatiemateriaal op zijn plaats (links) als zonder (rechts). Krediet:Massachusetts Institute of Technology

De oplossing kwam door de ontwikkeling van een nieuw soort aerogel. Aerogels zijn lichtgewicht materialen die grotendeels uit lucht bestaan ​​en een zeer goede thermische isolatie bieden, met een structuur die bestaat uit microscopisch kleine schuimachtige formaties van een bepaald materiaal. Het nieuwe inzicht van het team was om een ​​aerogel te maken van polyethyleen, het materiaal dat in veel plastic zakken wordt gebruikt. Het resultaat is een zachte, zacht, wit materiaal dat zo licht is dat een bepaald volume slechts 1/50 zoveel weegt als water.

De sleutel tot het succes is dat hoewel het meer dan 90 procent van het binnenkomende zonlicht blokkeert, waardoor het oppervlak eronder wordt beschermd tegen verwarming, het is zeer transparant voor infrarood licht, waardoor ongeveer 80 procent van de warmtestralen vrij naar buiten kunnen gaan. "We waren erg opgewonden toen we dit materiaal zagen, ' zegt Leroy.

Het resultaat is dat het een bord drastisch kan afkoelen, gemaakt van een materiaal zoals metaal of keramiek, geplaatst onder de isolerende laag, wat een emitter wordt genoemd. Die plaat zou dan een daarop aangesloten container kunnen koelen, of koele vloeistof die door spoelen gaat die ermee in contact komen, om koeling te bieden voor producten of lucht of water.

Het apparaat op de proef stellen

Om hun voorspellingen van de effectiviteit ervan te testen, het team heeft samen met hun Chileense medewerkers een proof-of-concept-apparaat opgezet in de Atacama-woestijn in Chili, waarvan delen het droogste land op aarde zijn. Ze krijgen vrijwel geen regen, nog, precies op de evenaar, ze ontvangen laaiend zonlicht dat het apparaat op de proef kan stellen. Het apparaat bereikte een koeling van 13 graden Celsius onder de volle zon op het middaguur van de zon. Vergelijkbare tests op de MIT-campus in Cambridge, Massachusetts, bereikt net onder de 10 graden koeling.

Dat is genoeg koeling om een ​​significant verschil te maken bij het bewaren van producten op afgelegen locaties, zeggen de onderzoekers. In aanvulling, het zou kunnen worden gebruikt om een ​​eerste koelfase voor elektrische koeling te bieden, waardoor de belasting van die systemen wordt geminimaliseerd, zodat ze efficiënter kunnen werken met minder stroom.

theoretisch, zo'n apparaat zou een temperatuurverlaging van maar liefst 50 C kunnen bereiken, zeggen de onderzoekers, daarom blijven ze werken aan manieren om het systeem verder te optimaliseren, zodat het kan worden uitgebreid naar andere koelingstoepassingen, zoals airconditioning in gebouwen, zonder dat er een stroombron nodig is. Stralingskoeling is al geïntegreerd in sommige bestaande airconditioningsystemen om hun efficiëntie te verbeteren.

Nu al, Hoewel, ze hebben een grotere mate van koeling bereikt onder direct zonlicht dan enige andere passieve, stralingssysteem anders dan die waarbij een vacuümsysteem wordt gebruikt voor isolatie - wat zeer effectief maar ook zwaar is, duur, en breekbaar.

Deze benadering kan ook een goedkope aanvulling zijn op elk ander soort koelsysteem, het verstrekken van extra koeling als aanvulling op een meer conventioneel systeem. "Welk systeem je ook hebt, "Léroy zegt, "zet de aerogel erop, en je krijgt veel betere prestaties."

Pieter Bermel, een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Purdue University, die niet bij dit werk betrokken was, zegt, "Het belangrijkste potentiële voordeel van de hier gepresenteerde polyethyleen-aerogel kan zijn relatieve compactheid en eenvoud zijn, vergeleken met een aantal eerdere experimenten."

Hij voegt toe, "Het kan nuttig zijn om deze methode kwantitatief te vergelijken en te contrasteren met enkele alternatieven, zoals polyethyleenfilms en hoekselectieve blokkering in termen van prestaties (bijv. temperatuurverandering), kosten, en gewicht per oppervlakte-eenheid. … Het praktische voordeel zou aanzienlijk kunnen zijn als de vergelijking zou worden uitgevoerd en de afweging tussen kosten en baten aanzienlijk gunstig was voor deze aerogels."