Forskere fra Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics, and Physics (CIOMP), det kinesiske vitenskapsakademiet, har gjort betydelige fremskritt innen nullenergikjøling gjennom avanserte strålingskjøleteknologier. Deres samarbeidsarbeid utviklet retningsbestemte termiske emittere, kalt AS-emittere, som oppnår strålingskjøling på dagtid under omgivelsene for vertikale overflater. Funnene, med tittelen "Subambient daytime radiative cooling of vertical flats," ble publisert i Science.
Utfordringer innen strålingskjøling
Termisk stråling, en viktig energioverføringsprosess i naturen, viser tradisjonelt isotropiske, usammenhengende, bredbånds- og ikke-polariserte egenskaper. Dette resulterer i ubegrenset varmeveksling mellom strålingslegemet og dets miljø, noe som begrenser effektiviteten og kontrollerbarheten til strålingsvarmeoverføring.
Konvensjonelle strålingskjøleenheter er avhengige av brede termiske strålingsegenskaper, noe som gjør dem effektive først og fremst for åpne horisontale overflater, for eksempel hustak. Disse overflatene maksimerer eksponeringen for den kjøligere himmelen samtidig som de minimerer termisk utveksling med bakken, omgivelsene og atmosfæriske ugjennomsiktige vinduer. Vertikale overflater som vegger, klær eller kjøretøyssider vender imidlertid mot begrensede himmelsynsvinkler og større termisk utveksling med omgivende objekter, noe som reduserer kjøleeffektiviteten betydelig. Tidligere globale forsøk på å kontrollere spekteret eller vinklene til termisk stråling har slitt med å møte utfordringene med subambient-kjøling på vertikale overflater i løpet av dagen.
Innovativ tilnærming og funn
CIOMP-forskningsteamet, ledet av prof. Li Wei, brukte termofotonikk for å oppnå samtidig vinkel- og spektralkontroll over flere bølgelengdebånd. AS-emitteren de designet inneholder asymmetriske strukturer i kryssskala for å produsere vinkelasymmetrisk og spektralt selektiv termisk stråling. Denne innovasjonen muliggjorde effektiv strålingskjøling på dagtid for vertikale overflater.
Viktige bidrag:
Atmosfærisk tilpasning: I erkjennelse av at atmosfærisk transmissivitet avtar med økende senitvinkler, designet teamet emittere for å lede termisk stråling bort fra vinkler der atmosfærisk transmissivitet er lavest.
Solrefleksjon og termisk emisjon: AS-emitteren maksimerer solreflektansen og oppnår spektral- og vinkeloptimalisering i det infrarøde båndet for minimal varmeabsorpsjon.
Høy kjøleeffekt: Forskningen oppnådde en kjøleeffekt på ~40 W/m² for vertikale overflater, og overvann begrensninger pålagt av redusert himmeleksponering og termisk interferens fra omkringliggende objekter.
Teknisk grunnlag:
Tverrskala strukturell design: Emitteren bruker asymmetriske strukturer for å oppnå ikke-resiprok romlig strålingsfordeling.
Spektral selektivitet: Skreddersydd emisjon innenfor det atmosfæriske gjennomsiktighetsvinduet.
Termofotoniske prinsipper: Inneholder bølgeledere, fononforsterket resonans og symmetribrytende design.
Applikasjoner og implikasjoner
Dette gjennombruddet forbedrer den praktiske anvendelsen av strålingskjøling, spesielt for energieffektiv klimakontroll i urbane omgivelser og på vertikale infrastrukturer. Forskningen viser også høy fleksibilitet i termisk fotonisk manipulasjon, og skaper muligheter for:
Effektive kjøle- og varmesystemer.
Avanserte energitransportteknologier.
Høypresisjon termisk styring i optiske og romfartssystemer.
Støttet av National Natural Science Foundation of China, viser arbeidet potensialet til termofotonikk i møte med globale energieffektivitets- og bærekraftutfordringer.