Het is momenteel een uitdaging om afgesloten ruimtes, zoals stationaire auto's die warmte vasthouden via het broeikaseffect, efficiënt te koelen. In een nieuw rapport in wetenschappelijke vooruitgang , Se-Yeon Heo en een team van wetenschappers in materiaalkunde, engineering en nano-architectuur in Japan en de Republiek Korea, presenteerde een Janus-emitter (JET) voor oppervlaktekoeling. Ze gebruikten een zilver (Ag)-polydimethylsiloxaan (PDMS) laag op een kwartssubstraat met micropatronen en het materiaal stelde hen in staat de ruimte te koelen, zelfs wanneer de JET in een behuizing was bevestigd. Als resultaat, de JET (Janus-straler) zou het broeikaseffect in behuizingen passief kunnen verminderen en oppervlaktekoelingsprestaties bieden die vergelijkbaar zijn met conventionele stralingskoelers.

Koeltechnologieën

De huidige koeltechnologieën zijn afhankelijk van dampcompressie en vloeistofgekoelde systemen, maar ze verbruiken ongeveer 10 procent van de wereldwijde energie, terwijl de uitputting van fossiele brandstoffen wordt versneld. Tussen 1990 en 2018, de hoeveelheid kooldioxide (CO ₂ ) de emissies van ruimtekoeling zijn meer dan verdrievoudigd tot 1130 miljoen ton, naast de escalerende problemen van aantasting van de ozonlaag en luchtvervuiling. De aarde kan zichzelf koelen via stralingskoeling, een passieve thermische beheerstrategie om ongewenste warmte naar de ruimte af te geven zonder energieverbruik, en passieve stralingskoelers hebben sub-omgevingskoeling laten zien wanneer ze zijn bevestigd aan externe materialen zoals het dak of zelfs de menselijke huid om overdag warmte door convectie of geleiding te trekken. Echter, dergelijke strategieën kunnen ondoeltreffend zijn tijdens extreme warmteaccumulatie in stilstaande voertuigen, waar extreem hoge temperaturen kunnen ontstaan ​​onder het broeikaseffect door transparante ramen die zonnestraling doorlaten, terwijl het ondoorzichtig is voor de uittredende langegolf thermische straling. In dit werk, Heo et al. stelde een Janus thermische zender voor om te fungeren als een selectieve zender (SE) aan de bovenkant en als een breedbandzender (BE) aan de onderkant. Het ontwerp haalde efficiënt warmte uit de binnenruimte en het oppervlak, terwijl de bovenkant warmte uitstraalde naar de ruimte zonder de omgevingsstraling te verstoren.

De wetenschappers ontwierpen eerst een op polymeren gebaseerde selectieve emitter (SE) met spoof surface plasmon polariton (sSPP) om een ​​bijna ideale selectiviteit te bereiken. Vervolgens toonden ze theoretisch en experimenteel de koelprestaties van de Janus-emitter (JET) aan beide zijden, net als state-of-the-art stralingskoelers. De JET fungeerde als een effectief warmtekanaal om breedband thermische straling van binnen en van onderen te absorberen, terwijl de bovenkant wordt gebruikt om warmte uit te stralen als infrarood (IR) golven naar de ruimte, net als een koude gootsteen. Het monster bevatte een polydimethylsiloxaan (PDMS) laag, een 100 nm dikke zilverlaag en een micropatroon kwartslaag gecoat met 10 µm dik PDMS op de bodem. De JET minimaliseerde de verstoring van zonne-energie en omgevingsstraling, waar de onderkant breed binnenste warmtestraling absorbeerde. Het team berekende tijdens het onderzoek het koelvermogen en de koeltemperatuur voor de selectieve zender (SE) en breedbandzender (BE).

Heo et al. analyseerde de effecten van spoof surface plasmon polariton (sSPP) resonanties op JET-emissiviteit en de simulatie toonde sterke resonante absorptiepieken opgewekt tussen de twee sSPP-modi, vanwege de Fabry-Pérot holteresonantie van de opstelling. De JET vertoonde een hoekrobuuste emissiviteit nabij het atmosferische venster. Met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden observeerden ze het kwarts met micropatroon met of zonder PDMS-coating. De gemeten en gesimuleerde emissiespectra gaven bijna ideale kenmerken aan in zowel selectieve zenders (SE) als breedbandzenders (BE) van het gefabriceerde JET-systeem.

Om het koelvermogen en de koeltemperatuur van zowel selectieve zenders als breedbandzenders (SE en BE) in het apparaat te onderzoeken, de wetenschappers hadden toegang tot een buitendak van het Gwangju Institute of Science (GIST). Het team voorkwam zelfopwarming van de omgevingsluchtsensor door een omgevingsluchtbox te gebruiken om het zonnespectrum te verduisteren en zorgde voor een continue luchtstroom naar de opstelling. Ze testten de temperatuursensoren op betrouwbaarheid en gebruikten geen convectieschild vanwege de onvolmaakte transmissie. De resultaten toonden sub-omgevingskoeling onder verschillende weersomstandigheden, waar nevel en vochtigheid de warmteoverdracht naar de atmosfeer verhinderden. Heo et al. classificeerde de steady-state energiebalansvergelijking in vier machtstermen, inclusief het (1) vermogen dat door het monster wordt uitgestraald, (2) vermogen geabsorbeerd door atmosferische emissie, (3) geabsorbeerd vermogen van zonnestraling en (4) niet-bestralingswarmteoverdracht, waaronder geleiding en convectie. De SE was effectiever tijdens sub-ambient koeling in vergelijking met BE. Het team heeft tijdens de experimenten het koelvermogen naast de klimaatomstandigheden gemeten.

Koelvermogen van JET in een afgesloten ruimte

Hoewel warmteoverdracht in open ruimten vooral plaatsvindt via convectie, het mechanisme kan verschillen in een afgesloten ruimte met een warmtebron. Bijvoorbeeld, een auto geparkeerd onder de zon kan opwarmen van 60 graden tot 80 graden Celsius, hoewel de omgevingstemperatuur slechts 21 graden Celsius is, hyperthermie veroorzaken bij inzittende kinderen. Tijdens Janus thermische straling, de JET (Janus-stralers) kunnen fungeren als een warmtekanaal om warmte uit de behuizing te halen en de temperatuurverdeling in het binnenste gebied aanzienlijk te veranderen. De JET is zeer efficiënt in het verlagen van de temperatuur uit het afgeschermde gebied via breedbandabsorptie en maakt selectieve thermische emissie door het atmosferische venster mogelijk.

Het team ontwikkelde een experimenteel model met aluminiummetaal en zwart leer om het interieur en de vloer van een stationair voertuig na te bootsen. geparkeerd onder de zon. Ze voerden het experiment uit op een dak en merkten herhaaldelijk op vier verschillende dagen en verschillende weersomstandigheden de uitzonderlijke koelprestaties van JET in de afgesloten ruimte op. Op basis van de uitkomsten, het team stelde voor om het hier gebruikte materiaal te vervangen door andere polymeren voor een verscheidenheid aan geoptimaliseerde voordelen, inclusief een verbeterde algehele koelcapaciteit door het minimaliseren van zonne-energie en het verhogen van thermische straling. De oppervlakte-eigenschappen van de JET zorgden ook voor waterafstotende en zelfreinigende effecten.

Op deze manier, Se-Yeon Heo en collega's lieten zien hoe Janus-stralers een passieve strategie boden voor selectieve emissie naar de ruimte, naast breedbandabsorptie aan de andere kant van de behuizing. Om dit te bereiken, voor de experimenten ontwikkelden ze een bijna ideale selectieve emitter (SE) met spoof surface plasmon polariton (sSPP) in een PDMS-polymeer bekleed met een zilvergecoat micropatroon kwartsframe. Ze onderzochten het vermogen van JET om behuizingen te koelen, waar het warmte wegtrok in vergelijking met andere materialen. Met behulp van de bidirectionele emissiekenmerken van Janus-stralers, het team verlaagde de temperatuur van een stralingsobject in een behuizing die een stationaire auto-omgeving simuleerde. Het superieure vermogen om zowel boven- als onderoppervlakken en gesloten ruimtes passief te koelen, kan de ontwikkeling van geavanceerde ontwerpen mogelijk maken om het broeikaseffect in gesloten ruimtes zoals stationaire auto's te minimaliseren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk