Predstavljajte si napravo, ki je postavljena pod žgoče sonce na jasen dan in lahko brez vsakega napajanja ustvari 13° C temperaturne razlike za hlajenje. Čeprav se zdi neverjetno, lahko novi sistem, ki so ga ustvarili raziskovalci iz univerze MIT in iz Čila, naredi prav to.
Naprava nima nobenih premičnih delov in deluje na principu radiacijskega hlajenja. Vpadne sončne žarke blokira, da prepreči segrevanje, obenem pa seva infrardečo svetlobo, ki je v bistvu toplotna energija znotraj naprave. Tako se naprava dejansko ohlaja, saj se vsota termične energije znotraj nje ne veča, zaradi blokade vpada sončne energije obenem pa se zaradi sevanja še dodatno zmanjšuje, kar napravo ohladi občutno pod temperaturo okoliškega zraka.
Ključ do njenega delovanja je posebni izolacijski material, aerogel, ki je poceni polietilenska trdna pena z izjemnimi izolacijskimi lastnostmi. Ta lahki material blokira in odbija sončne žarke vidnih valovnih dolžin, je pa zelo prevoden za infrardeče žarke, ki zapuščajo napravo.
Članek o novi napravi, so podiplomski študent Arny Leroy, profesorica mehaničnega inženiringa Evelyn Wang in sodelavci iz MIT in Katoliške univerze v Čilu, objavili v Science Advances.
Takšen sistem bi lahko uporabili za ohranjanje svežine sadja in zelenjave, posebej v območjih, kjer je oskrba z električno energijo slaba ali sploh ne obstaja.
Zmanjševanje absorbirane energije
Z radiacijskim hlajenjem se ohlaja večina toplih teles. Ta oddajajo infrardeče sevanje srednjih valovnih dolžin. Večina takšnega sevanja se vrne nazaj v vesolje, saj je zrak zelo prepusten za infrardeče žarke.
Naprava je osnovana na konceptu, ki ga je profesorica z ekipo razvijala že v lanskem letu, a je od tistega, ki je namesto aerogela uporabljal plast kovine za zaščito pred direktnimi sončnimi žarki, novi koncept z aerogelom dvakrat bolj učinkovit.
»Glavna težava prejšnjega koncepta je bila izolacija,« je pojasnil Leroy. Glavni vir segrevanja naprave je bil okoliški zrak. »Morali smo najti način, na katerega lahko ohranjamo površino telesa na nižji temperaturi, obenem pa je ta izolacija prepustna za infrardeče žarke.« Glavni problem je bil da so praktično vsi materiali, ki so izolativni za vidne žarke, prav tako izolativni za infrardeče, zato zavirajo radiacijski mehanizem, na katerem temelji ta naprava za hlajenje.
»Opravljenih je bilo veliko raziskav, kako preprečiti izgubo energije sistema, veliko manj pozornosti pa je dobila problematika zmanjšanja pridobljene energije. To je zelo težek izziv,« je dejala prof. Wang.
Rešitev je bila naposled najdena v obliki novega aerogela. Aerogeli so materiali, ki so sestavljeni skoraj samo iz zraka, saj je odstotek mase, ki jo predstavlja trdna pena, ki zadržuje ta zrak, skoraj zanemarljiv. Ker je sestavljena iz tako malo trde snovi, je tudi širjenje toplote po njej zelo oteženo, zato služi kot izjemen izolator. Ekipa je izdelala nov aerogel iz polietilena – materiala, iz katerega so izdelane plastične nakupovalne vrečke. Aerogel iz polietilena je bel, prožen in mehek material z petdesetkrat manjšo gostoto od vode.
aKljuč do uporabnosti tega materiala je v tem, da je zelo neprepusten za žarke vidne svetlobe (odbije jih kar 90%), je pa zelo prepusten za infrardeče žarke, katerih prepusti okrog 80%. »Ko smo videli zmožnosti tega materiala, smo bili zelo navdušeni,« je dejal Leroy.
Naprava lahko močno ohladi kovinski ali keramični del pod izolacijsko plastjo, imenovan oddajnik, ta pa lahko hladi povezan zaboj, ali pa vodo znotraj spirale, ki jo je preko izoliranih cevi, mogoče dovesti na želeno mesto.
Testiranje naprave
Da bi testirali svoje izračune učinkovitosti nove naprave, je ekipa sestavila prototip v puščavi Atakama v Čilu, ki velja za najbolj suho območje na Zemlji, saj ne prejme skoraj nobenih padavin, locirana pa je na ekvatorju, zato prejme največjo možno gostoto sončne energije. To območje je bilo izbrano, prav zato, da se preveri delovanje naprave v ekstremnih razmerah. Naprava je dosegla 13° C hlajenja pod žgočim soncem v zenitu. S podobnimi testi na univerzi MIT so dosegli skoraj 10° C hlajenja.
Takšna temperaturna razlika bi lahko prispevala veliko k prvem koraku hlajenja, torej znižanju temperature za deset stopinj ali več, nato pa bi se temperatura dodatno znižala v naslednjih korakih konvencionalnega hlajenja, ki bi temperaturo moral spustiti le še za nekaj stopinj. Tako bi lahko hladilni sistemi delovali učinkoviteje, z manj porabljene energije.
Raziskovalci trdijo, da bi takšna naprava teoretično lahko dosegla temperaturno razliko do 50° C, zato nadaljujejo z nadaljnjo optimizacijo sistema za uporabo v širše namene, kot so klimatiziranje zgradb, brez potrebe po električni energiji. Radiacijsko hlajenje je že bilo dodano nekaterim klimatskim sistemom za povečanje njihove učinkovitosti.
Obstoječi sistem pa je že presegel zmogljivosti vseh nevakuumskih hladilnih sistemov na direktnem soncu. Vakuumski sistemi so izjemno učinkoviti, a v večini primerov niso praktični, saj so dragi, težki in občutljivi na poškodbe.
»Naš sistem bi bil lahko nizkocenovni dodatek kateremukoli hladilnemu sistemu za povišanje njegove učinkovitosti,« pravi Leroy. »Katerokoli hladilno telo že imate, bo učinkovitejše, če ga ovijete v aerogel.«
Povzeto po:
https://www.rdworldonline.com/system-provides-cooling-with-no-electricity/
