Forskere fra Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP), det kinesiske videnskabsakademi, har gjort betydelige fremskridt inden for nul-energikøling gennem avancerede strålingskølingsteknologier. Deres samarbejde udviklede retningsbestemte termiske emittere, kaldet AS-emittere, der opnår strålingskøling under dagtimerne til lodrette overflader. Resultaterne, med titlen "Subambient daytime radiative cooling of vertikale overflader," blev offentliggjort i Science.
Udfordringer inden for strålingskøling
Termisk stråling, en vigtig energioverførselsproces i naturen, udviser traditionelt isotropiske, usammenhængende, bredbånds- og ikke-polariserede karakteristika. Dette resulterer i ubegrænset varmeudveksling mellem det udstrålende legeme og dets omgivelser, hvilket begrænser effektiviteten og kontrollerbarheden af strålevarmeoverførsel.
Konventionelle radiative køleanordninger er afhængige af brede termiske strålingsegenskaber, hvilket gør dem effektive primært til åbne vandrette overflader, såsom tage. Disse overflader maksimerer eksponeringen for den køligere himmel, mens de minimerer termisk udveksling med jorden, omgivelserne og atmosfæriske ikke-gennemsigtige vinduer. Men lodrette overflader såsom vægge, tøj eller køretøjssider vender mod begrænsede himmelsynsvinkler og større termisk udveksling med omgivende genstande, hvilket reducerer køleeffektiviteten betydeligt. Tidligere globale forsøg på at kontrollere spektret eller vinklerne for termisk stråling har kæmpet for at imødekomme udfordringerne med subambient afkøling på lodrette overflader i løbet af dagen.
Innovativ tilgang og resultater
CIOMP-forskerholdet, ledet af prof. Li Wei, brugte termofotonik til at opnå samtidig vinkel- og spektralkontrol på tværs af flere bølgelængdebånd. AS-emitteren, de har designet, inkorporerer asymmetriske strukturer på tværs af skalaen for at producere vinkel-asymmetrisk og spektralt selektiv termisk stråling. Denne innovation muliggjorde effektiv strålingskøling i dagtimerne til lodrette overflader.
Nøglebidrag:
Atmosfærisk tilpasning: I erkendelse af, at atmosfærisk transmissivitet falder med stigende zenit-vinkler, designede holdet emittere til at lede termisk stråling væk fra vinkler, hvor atmosfærisk transmissivitet er lavest.
Solrefleksion og termisk emission: AS-emitteren maksimerer solreflektansen og opnår spektral- og vinkeloptimering i det infrarøde bånd for minimal varmeabsorption.
Høj køleeffekt: Forskningen opnåede en køleeffekt på ~40 W/m² for lodrette overflader, og overvinde begrænsninger pålagt af reduceret himmeleksponering og termisk interferens fra omgivende objekter.
Tekniske fundamenter:
Strukturelt design på tværs af skala: Emitteren anvender asymmetriske strukturer til at opnå ikke-gensidig rumlig strålingsfordeling.
Spektral selektivitet: Skræddersyet emission inden for det atmosfæriske gennemsigtighedsvindue.
Termofotoniske principper: Inkorporerer bølgeledere, phonon-forstærket resonans og symmetri-brydende design.
Ansøgninger og konsekvenser
Dette gennembrud forbedrer den praktiske anvendelse af radiativ køling, især til energieffektiv klimastyring i bymiljøer og på vertikale infrastrukturer. Forskningen viser også høj fleksibilitet i termisk fotonisk manipulation, hvilket skaber muligheder for:
Effektive køle- og varmesystemer.
Avancerede energitransportteknologier.
Højpræcision termisk styring i optiske og rumfartssystemer.
Støttet af Kinas National Natural Science Foundation viser arbejdet termofotonikens potentiale til at løse globale udfordringer med energieffektivitet og bæredygtighed.