Massachusetts Institute of Technology
Sistem, ki temelji na izhlapevanju in sevanju – ne pa na električni energiji, bi lahko dlje časa ohranil svežo hrano ali dopolnjeval klimatizacijo v stavbah.
S segrevanjem sveta se bo predvidoma močno povečala uporaba klimatskih naprav, ki zahtevajo veliko energije, kar bo obremenilo obstoječa električna omrežja in obšlo številne lokacije z malo zanesljive električne energije ali brez nje. Inovativni sistem, ki so ga razvili na univerzi MIT, zdaj ponuja način za uporabo pasivnega hlajenja za ohranjanje pridelkov hrane in dopolnitev običajnih klimatskih naprav v stavbah, brez potrebe po električni energiji in le z majhno potrebo po vodi. Sistem, ki združuje radiacijsko hlajenje, hlajenje z izhlapevanjem in toplotno izolacijo v tankem ohišju, ki je lahko podobno obstoječim solarnim panelom, lahko zagotovi do približno 9,3 stopinje Celzija nižjo temperaturo od okolice, kar je dovolj za varno shranjevanje hrane za približno 40 odstotkov dlje v zelo vlažnih pogojih. V bolj suhih razmerah bi se lahko čas varnega shranjevanja potrojil.
Ugotovitve so objavljene v reviji Cell Reports Physical Science v članku, ki so ga napisali postdoktorski študent MIT Zhengmao Lu, doktor Arny Leroy ‚21, profesorja Jeffrey Grossman in Evelyn Wang ter dva sodelavca. Raziskovalci pravijo, da bi takšen sistem sčasoma lahko imel pomembno vlogo pri zadovoljevanju potreb po hlajenju v številnih delih sveta, kjer pomanjkanje elektrike ali vode omejuje uporabo običajnih hladilnih sistemov, čeprav so potrebne nadaljnje raziskave za znižanje stroškov ene od ključnih komponent sistema. Sistem spretno združuje prejšnje samostojne hladilne sisteme, ki so vsak zase zagotavljali omejene količine hladilne moči, da bi na splošno zagotovili bistveno več hlajenja – dovolj, da bi pomagali zmanjšati izgube hrane zaradi kvarjenja v delih sveta, ki že tako trpijo zaradi omejene oskrbe s hrano. Zaradi tega potenciala je raziskovalno skupino delno podprl laboratorij Abdul Latif Jameel MIT za vodo in prehrambene sisteme. „Ta tehnologija združuje nekatere dobre lastnosti prejšnjih tehnologij, kot sta izhlapevalno in radiacijsko hlajenje,“ pravi Lu. Z uporabo te kombinacije, pravi, „smo pokazali, da lahko dosežemo znatno podaljšanje življenjske dobe živil, tudi na območjih z visoko vlažnostjo,“ kar omejuje zmogljivosti običajnih sistemov za uparjalno ali radiacijsko hlajenje. V krajih, kjer so v stavbah obstoječi klimatski sistemi, bi lahko z novim sistemom znatno zmanjšali obremenitev teh sistemov, saj bi hladno vodo pošiljali v najbolj vroč del sistema, kondenzator. „Z znižanjem temperature kondenzatorja lahko učinkovito povečate učinkovitost klimatske naprave, tako da lahko potencialno prihranite energijo,“ pravi Lu. Po njegovih besedah so tudi druge skupine razvijale tehnologije pasivnega hlajenja, toda „s sinergijsko kombinacijo teh lastnosti lahko zdaj dosežemo visoko zmogljivost hlajenja, tudi na območjih z visoko vlažnostjo, kjer prejšnje tehnologije na splošno niso bile uspešne.“ Sistem je sestavljen iz treh plasti materiala, ki skupaj zagotavljajo hlajenje, ko voda in toplota prehajata skozi napravo. V praksi bi bila naprava lahko podobna običajni sončni plošči, vendar bi namesto oddajanja električne energije neposredno zagotavljala hlajenje, na primer tako, da bi delovala kot streha posode za shranjevanje hrane. Lahko pa bi jo uporabili za pošiljanje ohlajene vode po ceveh za hlajenje delov obstoječega klimatskega sistema in izboljšanje njegove učinkovitosti. Edino potrebno vzdrževanje je dodajanje vode za izhlapevanje, vendar je poraba tako majhna, da jo je treba na najbolj vročih in suhih območjih dodajati približno enkrat na štiri dni, na bolj vlažnih območjih pa le enkrat na mesec. Zgornji sloj je aerogel, material, ki ga sestavlja predvsem zrak, zaprt v votlinah gobi podobne strukture iz polietilena. Material je zelo izolativen, vendar prosto prepušča vodno paro in infrardeče sevanje. Izhlapevanje vode (ki se dviga iz spodnje plasti) zagotavlja del hladilne moči, medtem ko infrardeče sevanje, ki izkorišča izjemno prosojnost Zemljinega ozračja pri teh valovnih dolžinah, oddaja del toplote naravnost navzgor skozi zrak in v vesolje – v nasprotju s klimatskimi napravami, ki izločajo vroč zrak v neposredno okolico. Pod aerogelom je plast hidrogela – še enega spužvi podobnega materiala, ki pa ima pore napolnjene z vodo in ne z zrakom. Podoben je materialu, ki se trenutno komercialno uporablja za izdelke, kot so hladilne blazinice ali obloge za rane. Ta zagotavlja vir vode za hlajenje z izhlapevanjem, saj se na njegovi površini tvori vodna para, ki skozi plast aerogela prehaja naravnost navzgor v okolje. Pod njo je zrcalna plast, ki odbija vpadno sončno svetlobo, ki jo je dosegla, in jo pošilja nazaj skozi napravo, namesto da bi segrevala materiale, in tako zmanjšuje njihovo toplotno obremenitev. Zgornji sloj aerogela je dober izolator in hkrati močno odbija sončno svetlobo, kar omejuje sončno segrevanje naprave tudi pri močni neposredni sončni svetlobi. „Novost je v tem, da v eni arhitekturi združujemo funkcije sevalnega hlajenja, hlajenja z izhlapevanjem in toplotne izolacije,“ pojasnjuje Lu. Sistem je bil preizkušen na strehi stavbe na MIT z majhno različico, ki je imela premer le 10 cm, pri čemer se je izkazalo, da je učinkovit tudi v neoptimalnih vremenskih razmerah, pravi Lu, in je dosegel 9,3 C hlajenja. „Prej je bil izziv v tem, da se izparilni materiali pogosto ne spopadajo dobro z absorpcijo sonca,“ pravi Lu. „Pri teh drugih materialih se običajno, ko so pod soncem, segrejejo, zato pri temperaturi okolja ne morejo doseči visoke hladilne moči.“ Lastnosti aerogelnega materiala so ključne za splošno učinkovitost sistema, vendar je proizvodnja tega materiala trenutno draga, saj zahteva posebno opremo za sušenje s kritično točko (CPD), ki počasi odstranjuje topila iz občutljive porozne strukture, ne da bi jo poškodovala. Ključna lastnost, ki jo je treba nadzorovati, da se zagotovijo želene lastnosti, je velikost por v aerogelu, ki se izdela tako, da se polietilenski material zmeša s topili, pusti, da se strdi kot skleda želeja, in nato iz njega odstrani topila. Raziskovalna skupina trenutno raziskuje načine, kako ta postopek sušenja narediti cenejši, na primer z uporabo sušenja z zamrzovanjem, ali pa poiskati alternativne materiale, ki lahko zagotovijo enako izolacijsko funkcijo z nižjimi stroški, na primer membrane, ločene z zračno režo. Medtem ko so drugi materiali, uporabljeni v sistemu, lahko dostopni in relativno poceni, Lu pravi, da je „aerogel edini material, ki je laboratorijski izdelek in zahteva nadaljnji razvoj v smislu množične proizvodnje“. Pravi, da je nemogoče napovedati, koliko časa bo potreboval ta razvoj, preden bo ta sistem postal praktičen za široko uporabo. To delo „predstavlja zelo zanimiv in nov sistemski pristop k integraciji tehnologij pasivnega hlajenja,“ pravi Xiulin Ruan, profesor strojništva na univerzi Purdue, ki ni bil povezan s to raziskavo. Ruan dodaja: „Z združitvijo hlajenja z izhlapevanjem, radiacijskega hlajenja in izolacije je učinkovitost hlajenja boljša in je lahko učinkovita v širšem razponu podnebnih razmer kot samo hlajenje z izhlapevanjem ali radiacijsko hlajenje. Delo bi lahko imelo pomembno praktično uporabo, na primer pri konzerviranju hrane, če bi bilo mogoče sistem izdelati z razumnimi stroški.“ Raziskovalno skupino sta sestavljala Lenan Zhang z oddelka za strojništvo MIT in Jatin Patil z oddelka za znanost o materialih in inženirstvo.
Povzeto po:
https://news.mit.edu/2022/passive-cooling-off-grid-0920
