Naarmate de wereld warmer wordt, zal het gebruik van energieverslindende airconditioningsystemen naar verwachting aanzienlijk toenemen, waardoor de bestaande elektriciteitsnetten onder druk komen te staan ​​en veel locaties met weinig of geen betrouwbare elektrische stroom worden omzeild. Nu biedt een innovatief systeem dat is ontwikkeld aan het MIT een manier om passieve koeling te gebruiken om voedselgewassen te behouden en conventionele airconditioners in gebouwen aan te vullen, zonder dat er stroom en slechts een kleine behoefte aan water nodig is.

Het systeem, dat stralingskoeling, verdampingskoeling en thermische isolatie combineert in een slank pakket dat lijkt op bestaande zonnepanelen, kan tot ongeveer 19 graden Fahrenheit (9,3 graden Celsius) koeling bieden vanaf de omgevingstemperatuur, genoeg om veilig voedsel mogelijk te maken opslag voor ongeveer 40 procent langer onder zeer vochtige omstandigheden. Het zou de veilige opslagtijd onder drogere omstandigheden kunnen verdrievoudigen.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Cell Reports Physical Science , in een paper van MIT-postdoc Zhengmao Lu, Arny Leroy Ph.D. '21, professoren Jeffrey Grossman en Evelyn Wang, en twee anderen. Hoewel er meer onderzoek nodig is om de kosten van een belangrijk onderdeel van het systeem te verlagen, zeggen de onderzoekers dat een dergelijk systeem uiteindelijk een belangrijke rol zou kunnen spelen bij het voldoen aan de koelbehoeften van veel delen van de wereld waar een gebrek aan elektriciteit of water beperkt het gebruik van conventionele koelsystemen.

Het systeem combineert op slimme wijze eerdere stand-alone koelontwerpen die elk een beperkte hoeveelheid koelvermogen leveren, om in het algemeen aanzienlijk meer koeling te produceren - genoeg om voedselverliezen door bederf te helpen verminderen in delen van de wereld die al te kampen hebben met een beperkte voedselvoorziening. Als erkenning van dat potentieel werd het onderzoeksteam gedeeltelijk ondersteund door MIT's Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab.

"Deze technologie combineert enkele van de goede eigenschappen van eerdere technologieën, zoals verdampingskoeling en stralingskoeling", zegt Lu. Door deze combinatie te gebruiken, zegt hij, "laten we zien dat je de levensduur van voedsel aanzienlijk kunt verlengen, zelfs in gebieden met een hoge luchtvochtigheid", wat de mogelijkheden van conventionele verdampings- of stralingskoelsystemen beperkt.

Op plaatsen met bestaande airconditioningsystemen in gebouwen zou het nieuwe systeem kunnen worden gebruikt om de belasting van deze systemen aanzienlijk te verminderen door koel water naar het heetste deel van het systeem, de condensor, te sturen. "Door de condensortemperatuur te verlagen, kunt u de efficiëntie van de airconditioner effectief verhogen, zodat u mogelijk energie kunt besparen", zegt Lu.

Andere groepen hebben ook passieve koeltechnologieën nagestreefd, zegt hij, maar "door deze functies op een synergetische manier te combineren, zijn we nu in staat om hoge koelprestaties te bereiken, zelfs in gebieden met hoge vochtigheid waar eerdere technologie over het algemeen niet goed kan presteren."

Het systeem bestaat uit drie materiaallagen, die samen voor koeling zorgen als water en warmte door het apparaat gaan. In de praktijk zou het apparaat kunnen lijken op een conventioneel zonnepaneel, maar in plaats van elektriciteit te doven, zou het direct voor koeling zorgen, bijvoorbeeld door als dak van een voedselopslagcontainer te fungeren. Of het kan worden gebruikt om gekoeld water door leidingen te sturen om delen van een bestaand airconditioningsysteem te koelen en de efficiëntie te verbeteren. Het enige onderhoud dat nodig is, is het toevoegen van water voor de verdamping, maar het verbruik is zo laag dat dit in de heetste, droogste gebieden slechts één keer per vier dagen hoeft te worden gedaan, en slechts één keer per maand in nattere gebieden.

De bovenste laag is een aerogel, een materiaal dat voornamelijk bestaat uit lucht die is ingesloten in de holtes van een sponsachtige structuur van polyethyleen. Het materiaal is zeer isolerend maar laat zowel waterdamp als infraroodstraling vrij door. De verdamping van water (opstijgend uit de laag eronder) zorgt voor een deel van het koelvermogen, terwijl de infrarode straling, die profiteert van de extreme transparantie van de aardatmosfeer op die golflengten, een deel van de warmte rechtstreeks door de lucht de ruimte in straalt —in tegenstelling tot airconditioners, die warme lucht in de directe omgeving blazen.

Onder de aerogel bevindt zich een laag hydrogel - een ander sponsachtig materiaal, maar een waarvan de poriën zijn gevuld met water in plaats van met lucht. Het is vergelijkbaar met materiaal dat momenteel commercieel wordt gebruikt voor producten zoals koelpads of wondverband. Dit vormt de waterbron voor verdampingskoeling, aangezien waterdamp zich aan het oppervlak vormt en de damp omhoog gaat door de aerogellaag en naar de omgeving.

Daaronder reflecteert een spiegelachtige laag elk binnenkomend zonlicht dat het heeft bereikt, en stuurt het terug door het apparaat in plaats van het de materialen te laten opwarmen en zo hun thermische belasting te verminderen. En de bovenste laag van aerogel, die een goede isolator is, is ook sterk zonnereflecterend, waardoor de hoeveelheid zonnewarmte van het apparaat wordt beperkt, zelfs bij sterk direct zonlicht.

"De nieuwigheid hier is eigenlijk alleen het samenbrengen van de functie voor stralingskoeling, de functie voor verdampingskoeling en ook de thermische isolatie in één architectuur", legt Lu uit. Het systeem is getest met een kleine versie van slechts 10 cm doorsnee op het dak van een gebouw aan het MIT, wat zijn effectiviteit aantoont, zelfs bij suboptimale weersomstandigheden, zegt Lu, en een koeling van 9,3 C (18,7 F) bereikt.

"Voorheen was de uitdaging dat verdampende materialen vaak niet goed omgaan met zonneabsorptie", zegt Lu. "Met deze andere materialen, meestal als ze in de zon staan, worden ze verwarmd, zodat ze bij omgevingstemperatuur niet tot een hoog koelvermogen kunnen komen."

De eigenschappen van het aerogelmateriaal zijn een sleutel tot de algehele efficiëntie van het systeem, maar dat materiaal is momenteel duur om te produceren, omdat het speciale apparatuur vereist voor het drogen van kritische punten (CPD) om oplosmiddelen langzaam uit de delicate poreuze structuur te verwijderen zonder deze te beschadigen. Het belangrijkste kenmerk dat moet worden gecontroleerd om de gewenste kenmerken te verkrijgen, is de grootte van de poriën in de aerogel, die wordt gemaakt door het polyethyleenmateriaal te mengen met oplosmiddelen, zodat het kan stollen als een kom Jell-O en vervolgens de oplosmiddelen eruit. Het onderzoeksteam onderzoekt momenteel manieren om dit droogproces goedkoper te maken, bijvoorbeeld door middel van vriesdrogen, of alternatieve materialen te vinden die dezelfde isolerende functie kunnen bieden tegen lagere kosten, zoals membranen gescheiden door een luchtspleet.

Hoewel de andere materialen die in het systeem worden gebruikt gemakkelijk verkrijgbaar en relatief goedkoop zijn, zegt Lu, "is de aerogel het enige materiaal dat een product uit het laboratorium is dat verder moet worden ontwikkeld in termen van massaproductie." En het is onmogelijk om te voorspellen hoe lang die ontwikkeling duurt voordat dit systeem praktisch kan worden gemaakt voor wijdverbreid gebruik, zegt hij.

Het onderzoeksteam omvatte Lenan Zhang van de afdeling Werktuigbouwkunde van MIT en Jatin Patil van de afdeling Materials Science and Engineering. + Verder verkennen

Een materiaal voor thermisch beheer dat reageert op warmte of kou door het op te vouwen of uit te vouwen zonder dat er een stroombron nodig is