Изследователи от Испанския национален изследователски съвет (CSIC) разработиха полимерна наноструктура, способна да охлажда изложени на слънце повърхности без използването на електроенергия. Технологията използва слънчевата радиация и излъчва топлината директно в космическото пространство, което може да намали зависимостта от климатизацията в сгради, автомобили и електронни устройства.
Разработката е дело на екип от Института по микро- и нанотехнологии (IMN-CNM) към CSIC. Новият материал може да се превърне в алтернатива на традиционните системи за охлаждане, чието енергийно потребление продължава да нараства. Според данните, цитирани от Euronews, охлаждането вече представлява близо 20% от глобалното потребление на електроенергия.
Изследването е ръководено от групата „Функционални наномащабни устройства за енергия“ (FINDER) и е публикувано в списание „Nanophotonics“. В основата му е технологията за пасивно радиационно охлаждане през деня.
Тя използва особеност на земната атмосфера – в инфрачервения спектър съществува т.нар. атмосферно прозорче между 8 и 13 микрометра. В този диапазон топлинното излъчване може да премине през атмосферата и да бъде насочено директно към космоса.
За да бъде ефективна системата, материалът трябва едновременно да отразява голяма част от слънчевата радиация и да излъчва топлината си в диапазона 8–13 микрометра. По този начин повърхността може да се охлади до температура, по-ниска от тази на околния въздух, без компресори и електрическо захранване.
Учените са избрали поливинилиденфлуорид (PVDF) – полимер, който притежава способност да излъчва топлина в инфрачервения диапазон.
Кристина Висенте, изследовател в IMN-CNM и ръководител на проекта COOLed, посочва, че материалът съчетава няколко важни характеристики. Освен че излъчва топлина ефективно, PVDF е устойчив на ултравиолетова радиация, отблъсква водата и притежава свойства, които улесняват самопочистването на повърхността.
Самият полимер обаче не е единственият фактор за високата ефективност на разработката. Съществена роля играе начинът, по който материалът е структуриран.
Изследователите инфилтрират PVDF в нанопорести шаблони от анодизиран алуминиев оксид. Така се създават триизмерни структури, чиято геометрия може да бъде контролирана на нанометрово ниво. Именно тази структура определя оптичните характеристики и ефективността на охлаждащия материал.
Резултатите от експериментите показват значителен потенциал на технологията. Оптимизираната версия на материала, обработена чрез ултрабързо охлаждане след инфилтрацията на полимера, отразява средно 82,4% от слънчевата радиация.
В същото време тя излъчва 96,7% от топлината си в инфрачервения диапазон между 8 и 13 микрометра.
Според изчисленията тази комбинация от свойства осигурява охлаждаща мощност от 182,3 вата на квадратен метър при слънчева интензивност от 1000 W/m².
Резултатите са потвърдени и при реални условия. По време на тестове на покрива на изследователския център в Трес Кантос, Мадрид, е измерена пикова слънчева интензивност от 962 W/m², при която материалът е показал резултати, близки до теоретично изчислените.
Технологията е изпитана и при продължителни тестове на открито през миналото лято. Преди експериментите материалът е обработен с ултравиолетова светлина, която го избелва и увеличава способността му да отразява слънчевата радиация.
При най-горещите, сухи и слънчеви дни обработената повърхност е достигала температура до 12,9°C по-ниска от тази на необработена проба без покритие.
Това показва, че технологията може да има практическо приложение именно в условията, при които традиционните системи за охлаждане са най-силно натоварени.
Изследователите подчертават, че разработката все още е на етап развитие и предстои да бъдат направени допълнителни изследвания преди технологията да достигне широко търговско приложение.
Един от ключовите фактори е производственият процес, който според учените е сравнително евтин и може да бъде интегриран в съществуващи промишлени производства.
Потенциалните приложения са разнообразни – от фасади и покриви на сгради до електронни устройства и превозни средства. Технологията би могла да намери място и в индивидуални системи за охлаждане.
Ако бъде успешно развита и внедрена в по-голям мащаб, пасивното радиационно охлаждане може да предложи начин за намаляване на потреблението на електроенергия за климатизация, както и на свързаните с него емисии.