MIT-onderzoekers hebben een nieuwe manier bedacht om te zorgen voor verkoeling op een warme zonnige dag, gebruik van goedkope materialen en vereist geen energie uit fossiele brandstoffen. Het passieve systeem, die kunnen worden gebruikt als aanvulling op andere koelsystemen om voedsel en medicijnen in hete, off-grid locaties, is in wezen een hightech versie van een parasol.

Het systeem maakt warmteafgifte mogelijk in het midden-infraroodbereik van licht dat rechtstreeks door de atmosfeer kan gaan en in de kou van de ruimte kan uitstralen, dwars door de gassen heen die als een broeikas werken. Om verhitting in direct zonlicht te voorkomen, een kleine strook metaal die boven het apparaat hangt, blokkeert de directe zonnestralen.

Het nieuwe systeem wordt deze week beschreven in het journaal Natuurcommunicatie in een paper van onderzoekswetenschapper Bikram Bhatia, afgestudeerde student Arny Leroy, hoogleraar werktuigbouwkunde en afdelingshoofd Evelyn Wang, hoogleraar natuurkunde Marin Soljacic, en zes anderen aan het MIT.

In theorie, het systeem dat ze ontwierpen, zou kunnen zorgen voor koeling tot 20 graden Celsius (36 graden Fahrenheit) onder de omgevingstemperatuur op een locatie als Boston, zeggen de onderzoekers. Tot dusver, in hun eerste proof-of-concept testen, ze hebben een afkoeling van 6 C (ongeveer 11 F) bereikt. Voor toepassingen die nog meer koeling nodig hebben, de rest kan worden bereikt door conventionele koelsystemen of thermo-elektrische koeling.

Andere groepen hebben geprobeerd passieve koelsystemen te ontwerpen die warmte uitstralen in de vorm van midden-infrarode golflengten van licht, maar deze systemen zijn gebaseerd op ingewikkeld ontworpen fotonische apparaten die duur kunnen zijn om te maken en niet direct beschikbaar zijn voor wijdverbreid gebruik, zeggen de onderzoekers. De apparaten zijn complex omdat ze zijn ontworpen om alle golflengten van zonlicht bijna perfect te weerkaatsen, en alleen om straling in het midden-infraroodbereik uit te zenden, voor het grootste gedeelte. Die combinatie van selectieve reflectiviteit en emissiviteit vereist een meerlagig materiaal waarbij de dikte van de lagen tot op nanometer nauwkeurig wordt geregeld.

Maar het blijkt dat een vergelijkbare selectiviteit kan worden bereikt door eenvoudig het directe zonlicht te blokkeren met een smalle strook die precies in de juiste hoek is geplaatst om het pad van de zon door de lucht te bedekken, waarvoor geen actieve tracking door het apparaat nodig is. Vervolgens, een eenvoudig apparaat opgebouwd uit een combinatie van goedkope plastic folie, gepolijst aluminium, witte verf, en isolatie kan zorgen voor de nodige warmteafgifte door middel van midden-infraroodstraling, dat is hoe de meeste natuurlijke objecten afkoelen, terwijl wordt voorkomen dat het apparaat wordt verwarmd door direct zonlicht. In feite, eenvoudige stralingskoelsystemen worden sinds de oudheid gebruikt om nachtelijke koeling te bereiken; het probleem was dat dergelijke systemen overdag niet werkten omdat het verwarmende effect van het zonlicht minstens 10 keer sterker was dan het maximaal haalbare koeleffect.

Maar de verwarmingsstralen van de zon reizen in rechte lijnen en worden gemakkelijk geblokkeerd - zoals we ervaren, bijvoorbeeld, door op een warme dag in de schaduw van een boom te stappen. Door het apparaat in de schaduw te stellen door er in wezen een paraplu overheen te zetten, en dat aan te vullen met isolatie rond het apparaat om het te beschermen tegen de omgevingsluchttemperatuur, de onderzoekers maakten passieve koeling haalbaarder.

"We hebben de opstelling gebouwd en buitenexperimenten gedaan op een MIT-dak, " zegt Bhatia. "Het is gedaan met behulp van zeer eenvoudige materialen" en toonde duidelijk de effectiviteit van het systeem.

"Het is een beetje bedrieglijk eenvoudig, ", zegt Wang. "Door een aparte kap en een emitter naar de atmosfeer te hebben - twee afzonderlijke componenten die relatief goedkoop kunnen zijn - vereist het systeem geen speciaal vermogen om selectief te emitteren en te absorberen. We gebruiken hoekselectiviteit om de directe zon te blokkeren, terwijl we doorgaan met het uitzenden van de warmtedragende golflengten naar de lucht."

Dit project "inspireerde ons om opnieuw na te denken over het gebruik van 'schaduw, '" zegt Yichen Shen, een onderzoekspartner en co-auteur van het artikel. "Vroeger, mensen hebben er alleen over nagedacht om het te gebruiken om de verwarming te verminderen. Maar nu, we weten of de schaduw slim wordt gebruikt in combinatie met wat ondersteunende lichtfiltering, het kan daadwerkelijk worden gebruikt om het object af te koelen, " hij zegt.

Een beperkende factor voor het systeem is de vochtigheid in de atmosfeer, Leroy zegt, die een deel van de infraroodemissie door de lucht kan blokkeren. In een plaats als Boston, dicht bij de oceaan en relatief vochtig, dit beperkt de totale hoeveelheid koeling die kan worden bereikt, beperken tot ongeveer 20 graden Celsius. Maar in drogere omgevingen, zoals de zuidwestelijke V.S. of vele woestijn- of dorre omgevingen over de hele wereld, de maximaal haalbare koeling zou eigenlijk veel groter kunnen zijn, hij maakt duidelijk, mogelijk wel 40 C (72 F).

Hoewel het meeste onderzoek naar stralingskoeling zich heeft gericht op grotere systemen die kunnen worden toegepast om hele kamers of gebouwen te koelen, deze benadering is meer gelokaliseerd, Wang zegt:"Dit zou handig zijn voor koeltoepassingen, zoals voedselopslag of vaccins." Inderdaad, beschermen van vaccins en andere medicijnen tegen bederf in hete, tropische omstandigheden is een grote voortdurende uitdaging geweest waarvoor deze technologie goed gepositioneerd zou kunnen zijn om het hoofd te bieden.

Zelfs als het systeem niet voldoende was om de temperatuur helemaal naar het gewenste niveau te brengen, "het zou op zijn minst de belasting kunnen verminderen" op de elektrische koelsystemen, om voor het laatste beetje koeling te zorgen, zegt Wang.

Het systeem kan ook nuttig zijn voor sommige soorten geconcentreerde fotovoltaïsche systemen, waar spiegels worden gebruikt om zonlicht op een zonnecel te richten om de efficiëntie te verhogen. Maar dergelijke systemen kunnen gemakkelijk oververhitten en vereisen over het algemeen actief thermisch beheer met vloeistoffen en pompen. In plaats daarvan, de achterkant van dergelijke concentratiesystemen zou kunnen worden uitgerust met de mid-infrarode emitterende oppervlakken die worden gebruikt in het passieve koelsysteem, en kon de verwarming regelen zonder enige actieve tussenkomst.

Terwijl ze blijven werken aan het verbeteren van het systeem, de grootste uitdaging is het vinden van manieren om de isolatie van het apparaat te verbeteren, om te voorkomen dat het te veel opwarmt door de omgevingslucht, terwijl het zijn vermogen om warmte uit te stralen niet blokkeert. "De grootste uitdaging is het vinden van isolatiemateriaal dat infrarood-transparant zou zijn, ' zegt Leroy.

Het team heeft patenten aangevraagd op de uitvinding en hoopt dat het snel echte toepassingen kan vinden.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.