Raziskovalci iz Changchun Inštituta za optiko, fino mehaniko in fiziko (CIOMP) Kitajske akademije znanosti so dosegli pomemben napredek pri ničenergijskem hlajenju z naprednimi tehnologijami radiacijskega hlajenja. Njuno skupno delo je razvilo usmerjene toplotne oddajnike, imenovane AS oddajniki, ki dosegajo subbientno dnevno sevalno hlajenje za navpične površine. Ugotovitve z naslovom "Subambientno dnevno sevalno hlajenje navpičnih površin" so bile objavljene v Science.
Izzivi pri radiacijskem hlajenju
Toplotno sevanje, ključni proces prenosa energije v naravi, tradicionalno kaže izotropne, nekoherentne, širokopasovne in nepolarizirane lastnosti. Posledica tega je neomejena izmenjava toplote med sevalnim telesom in njegovim okoljem, kar omejuje učinkovitost in nadzor nad prenosom sevalne toplote.
Konvencionalne sevalne hladilne naprave temeljijo na širokih lastnostih toplotnega sevanja, zaradi česar so učinkovite predvsem na odprtih vodoravnih površinah, kot so strehe. Te površine povečajo izpostavljenost hladnejšemu nebu, hkrati pa zmanjšajo toplotno izmenjavo s tlemi, okolico in atmosfersko neprepustnimi okni. Vendar pa so navpične površine, kot so stene, oblačila ali stranice vozila, obrnjene proti omejenim kotom gledanja neba in večji toplotni izmenjavi z okoliškimi predmeti, kar znatno zmanjša učinkovitost hlajenja. Prejšnji globalni poskusi nadzora spektra ali kotov toplotnega sevanja so se težko soočili z izzivi hlajenja navpičnih površin čez dan pod sobnim prostorom.
Inovativni pristop in ugotovitve
Raziskovalna skupina CIOMP, ki jo je vodil prof. Li Wei, je uporabila termofotoniko za doseganje hkratnega kotnega in spektralnega nadzora v več pasovih valovnih dolžin. Oddajnik AS, ki so ga zasnovali, vključuje navzkrižne asimetrične strukture za proizvodnjo kotno asimetričnega in spektralno selektivnega toplotnega sevanja. Ta inovacija je omogočila učinkovito dnevno sevalno hlajenje navpičnih površin.
Ključni prispevki:
Atmosferska prilagoditev: ob spoznanju, da se atmosferska prepustnost zmanjšuje z naraščajočimi zenitnimi koti, je ekipa zasnovala oddajnike za usmerjanje toplotnega sevanja stran od kotov, kjer je atmosferska prepustnost najmanjša.
Odboj sonca in toplotna emisija: oddajnik AS poveča odboj sonca in doseže spektralno in kotno optimizacijo v infrardečem pasu za minimalno absorpcijo toplote.
Visoka hladilna moč: Raziskava je dosegla hladilno moč ~40 W/m² za navpične površine, s čimer je presegla omejitve, ki jih nalagata zmanjšana izpostavljenost nebu in toplotne motnje okoliških predmetov.
Tehnični temelji:
Navzkrižna strukturna zasnova: Oddajnik uporablja asimetrične strukture za doseganje nevzajemne prostorske porazdelitve sevanja.
Spektralna selektivnost: prilagojena emisija znotraj okna prosojnosti atmosfere.
Termofotonska načela: Vključevanje valovodov, resonance, izboljšane s fononi, in zasnov, ki rušijo simetrijo.
Aplikacije in posledice
Ta preboj povečuje praktično uporabo sevalnega hlajenja, zlasti za energetsko učinkovito uravnavanje klime v mestnih okoljih in na vertikalnih infrastrukturah. Raziskava prav tako dokazuje visoko prilagodljivost toplotne fotonske manipulacije, kar ustvarja priložnosti za:
Učinkoviti sistemi hlajenja in ogrevanja.
Napredne tehnologije za transport energije.
Visoko natančno toplotno upravljanje v optičnih in vesoljskih sistemih.
Delo, ki ga podpira Nacionalna naravoslovna fundacija Kitajske, prikazuje potencial termofotonike pri reševanju globalnih izzivov energetske učinkovitosti in trajnosti.