A Kínai Tudományos Akadémia Changchun Optikai, Finommechanikai és Fizikai Intézetének (CIOMP) kutatói a fejlett sugárzásos hűtési technológiák révén jelentős előrelépést értek el a nulla energiájú hűtés terén. Együttműködési munkájuk során olyan irányított hősugárzókat fejlesztettek ki, amelyeket AS-kibocsátóknak neveznek, amelyek a környezet alatti nappali sugárzó hűtést biztosítják a függőleges felületeken. A "Függőleges felületek szubambient nappali sugárzó hűtése" című megállapításait a Science publikálták.
A sugárzó hűtés kihívásai
A hősugárzás, a természet egyik kulcsfontosságú energiaátviteli folyamata, hagyományosan izotróp, inkoherens, szélessávú és nem polarizált jellemzőket mutat. Ez korlátlan hőcserét eredményez a sugárzó test és környezete között, ami korlátozza a sugárzó hőátadás hatékonyságát és szabályozhatóságát.
A hagyományos sugárzó hűtőberendezések széles hősugárzási tulajdonságokra támaszkodnak, így elsősorban nyílt vízszintes felületeken, például háztetőkön hatékonyak. Ezek a felületek maximalizálják a hűvösebb égboltnak való kitettséget, miközben minimálisra csökkentik a talajjal, a környezettel és a légköri átlátszó ablakokkal való hőcserét. A függőleges felületek, például a falak, a ruházat vagy a jármű oldala azonban korlátozott látószöggel néznek szembe az égbolttal, és nagyobb hőcsere zajlik a környező tárgyakkal, ami jelentősen csökkenti a hűtés hatékonyságát. A hősugárzás spektrumának vagy szögeinek szabályozására irányuló korábbi globális kísérletek nem tudtak megfelelni a napközbeni függőleges felületeken a környezet alatti hűtés kihívásainak.
Innovatív megközelítés és eredmények
A Li Wei professzor által vezetett CIOMP kutatócsoport termofotonikát használt, hogy több hullámhosszú sávon egyidejű szög- és spektrális szabályozást érjen el. Az általuk tervezett AS-kibocsátó többléptékű aszimmetrikus struktúrákat tartalmaz, amelyek szögletesen aszimmetrikus és spektrálisan szelektív hősugárzást állítanak elő. Ez az innováció hatékony nappali sugárzó hűtést tett lehetővé függőleges felületeken.
Legfontosabb hozzájárulások:
Légköri alkalmazkodás: Felismerve, hogy a légköri transzmissivitás csökken a zenitszögek növekedésével, a csapat olyan emittereket tervezett, amelyek a hősugárzást olyan szögekből irányítják, ahol a légköri transzmisszió a legalacsonyabb.
Napvisszaverődés és hőkibocsátás: Az AS emitter maximalizálja a napfény visszaverődését, és spektrális és szögoptimalizálást ér el az infravörös sávban a minimális hőelnyelés érdekében.
Nagy hűtési teljesítmény: A kutatás ~40 W/m² hűtőteljesítményt ért el függőleges felületeken, leküzdve az égbolt csökkentett expozíciója és a környező tárgyak hőhatása által támasztott korlátokat.
Technikai alapok:
Keresztléptékű szerkezeti tervezés: Az emitter aszimmetrikus struktúrákat használ a nem kölcsönös térbeli sugárzáseloszlás eléréséhez.
Spektrális szelektivitás: személyre szabott emisszió a légköri átlátszósági ablakon belül.
Termofotonikai alapelvek: Hullámvezetők, fonon-fokozott rezonancia és szimmetriabontó kialakítások.
Alkalmazások és következmények
Ez az áttörés javítja a sugárzó hűtés gyakorlati alkalmazását, különösen az energiahatékony klímaszabályozás terén városi környezetben és függőleges infrastruktúrákban. A kutatás emellett nagy rugalmasságot mutat a termikus fotonikus manipuláció terén, ami lehetőséget teremt a következőkre:
Hatékony hűtési és fűtési rendszerek.
Fejlett energiaszállítási technológiák.
Nagy pontosságú hőkezelés optikai és repülőgép-rendszerekben.
A Kínai Nemzeti Természettudományi Alapítvány támogatásával a munka bemutatja a termofotonikában rejlő lehetőségeket a globális energiahatékonysági és fenntarthatósági kihívások kezelésében.