روشی جدید برای تامین سرمایش بدون برق

به گزارش تاسیسات نیوز، این سیستم اجازه انتشار گرما در محدوده نور مادون قرمز متوسط ​​را می دهد که می تواند مستقیماً از اتمسفر عبور کند و به سرمای فضای بیرونی تابش کند و مستقیماً از طریق گازهایی که مانند گلخانه عمل می کنند ضربه بزند. برای جلوگیری از گرم شدن در زیر نور مستقیم خورشید، یک نوار کوچک فلزی معلق در بالای دستگاه، اشعه های مستقیم خورشید را مسدود می کند.

سیستم جدید در مجله Nature Communications در مقاله ای توسط دانشمند محقق، Bikram Bhatia، دانشجوی فارغ التحصیل Arny Leroy، استاد مهندسی مکانیک و رئیس بخش Evelyn Wang، استاد فیزیک Marin Soljačić، و شش نفر دیگر در MIT توضیح داده شده است.

به گفته محققان، در تئوری، سیستمی که آنها طراحی کرده‌اند می‌تواند تا ۲۰ درجه سانتی‌گراد (۳۶ درجه فارنهایت) کمتر از دمای محیط در مکانی مانند بوستون خنک‌سازی کند. تا کنون، در آزمایش اثبات مفهوم اولیه، آنها به خنک کننده ۶ درجه سانتیگراد (حدود ۱۱ فارنهایت) دست یافته اند. برای کاربردهایی که نیاز به سرمایش بیشتر دارند، باقیمانده را می توان از طریق سیستم های تبرید معمولی یا خنک کننده ترموالکتریک به دست آورد.

گروه‌های دیگر تلاش کرده‌اند تا سیستم‌های خنک‌کننده غیرفعال را طراحی کنند که گرما را به شکل طول‌موج‌های نور مادون قرمز میانی ساطع می‌کنند، اما این سیستم‌ها بر اساس دستگاه‌های فوتونیک مهندسی پیچیده‌ای هستند که ساخت آن‌ها گران بوده و به‌راحتی برای استفاده گسترده در دسترس نیستند. گفتن. این دستگاه‌ها پیچیده هستند، زیرا به گونه‌ای طراحی شده‌اند که تمام طول‌موج‌های نور خورشید را تقریباً به‌طور کامل بازتاب می‌دهند، و در بیشتر موارد فقط برای انتشار تشعشعات در محدوده مادون قرمز متوسط ​​طراحی شده‌اند. این ترکیب بازتاب انتخابی و گسیل پذیری به یک ماده چند لایه نیاز دارد که در آن ضخامت لایه ها با دقت نانومتری کنترل می شود.

اما به نظر می رسد که انتخابی مشابه را می توان با مسدود کردن نور مستقیم خورشید با نوار باریکی که دقیقاً در زاویه مناسب برای پوشاندن مسیر خورشید در سراسر آسمان قرار داده شده است و نیازی به ردیابی فعال توسط دستگاه ندارد به دست آورد. سپس، یک دستگاه ساده ساخته شده از ترکیبی از فیلم های پلاستیکی ارزان قیمت، آلومینیوم صیقلی، رنگ سفید و عایق می تواند انتشار گرمای لازم را از طریق تشعشعات مادون قرمز میانی امکان پذیر کند، به این ترتیب اکثر اجسام طبیعی خنک می شوند، در حالی که از دستگاه جلوگیری می کند. با نور مستقیم خورشید گرم می شود. در واقع، سیستم های خنک کننده تابشی ساده از زمان های قدیم برای دستیابی به سرمایش شبانه استفاده می شده است. مشکل این بود که چنین سیستم‌هایی در روز کار نمی‌کردند، زیرا اثر گرمایش نور خورشید حداقل ۱۰ برابر قوی‌تر از حداکثر اثر خنک‌کننده قابل دستیابی بود.

اما پرتوهای گرم کننده خورشید در خطوط مستقیم حرکت می کنند و به راحتی مسدود می شوند – همانطور که ما تجربه می کنیم، برای مثال، با قدم گذاشتن در سایه درخت در یک روز گرم. محققان با سایه انداختن دستگاه با قرار دادن چتر روی آن و تکمیل آن با عایق در اطراف دستگاه برای محافظت از آن در برابر دمای هوای محیط، خنک‌سازی غیرفعال را عملی‌تر کردند.

بهاتیا می‌گوید: «ما راه‌اندازی را ساختیم و آزمایش‌هایی را در فضای باز روی پشت بام MIT انجام دادیم. “این با استفاده از مواد بسیار ساده انجام شد” و به وضوح اثربخشی سیستم را نشان داد.

وانگ می‌گوید: «این به طرز فریبنده‌ای ساده است. با داشتن یک سایه و یک ساطع کننده مجزا به جو – دو جزء مجزا که می توانند نسبتاً کم هزینه باشند – این سیستم به توانایی خاصی برای انتشار و جذب انتخابی نیاز ندارد. ما از گزینش‌پذیری زاویه‌ای برای جلوگیری از نور مستقیم خورشید استفاده می‌کنیم، زیرا همچنان به انتشار طول موج‌های حامل گرما به آسمان ادامه می‌دهیم.

یچن شن، یکی از همکاران پژوهشی و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: این پروژه «ما را ترغیب کرد تا درباره استفاده از «سایه» تجدید نظر کنیم. در گذشته، مردم فقط به استفاده از آن برای کاهش گرمایش فکر می کردند. اما اکنون، ما می دانیم که اگر سایه به طور هوشمندانه همراه با برخی فیلترهای نوری حمایتی استفاده شود، در واقع می توان از آن برای خنک کردن جسم استفاده کرد.

لروی می‌گوید یکی از عوامل محدودکننده این سیستم، رطوبت موجود در جو است که می‌تواند بخشی از انتشار مادون قرمز از طریق هوا را مسدود کند. در مکانی مانند بوستون، نزدیک به اقیانوس و نسبتاً مرطوب، این مقدار کل خنک‌سازی قابل دستیابی را محدود می‌کند و آن را به حدود ۲۰ درجه سانتیگراد محدود می‌کند. اما در محیط‌های خشک‌تر، مانند جنوب غربی ایالات متحده یا بسیاری از محیط‌های بیابانی یا خشک در سراسر جهان، حداکثر سرمایش قابل دستیابی می‌تواند در واقع بسیار بیشتر باشد، به‌طور بالقوه تا ۴۰ درجه سانتی‌گراد (۷۲ فارنهایت).

وانگ می‌گوید: در حالی که بیشتر تحقیقات در مورد خنک‌سازی تابشی بر روی سیستم‌های بزرگ‌تری متمرکز شده‌اند که ممکن است برای خنک‌کردن کل اتاق‌ها یا ساختمان‌ها به کار گرفته شوند، این رویکرد محلی‌تر است، وانگ می‌گوید: «این برای کاربردهای تبرید مانند ذخیره‌سازی مواد غذایی یا واکسن‌ها مفید است». در واقع، محافظت از واکسن‌ها و سایر داروها در برابر فساد در شرایط گرم و گرمسیری، یک چالش عمده در حال انجام است که این فناوری می‌تواند به خوبی به آن رسیدگی کند.

وانگ می‌گوید حتی اگر سیستم برای پایین آوردن درجه حرارت تا حد لازم کافی نبود، «حداقل می‌توانست بارهای وارد بر سیستم‌های تبرید الکتریکی را کاهش دهد تا فقط آخرین بیت خنک‌کننده را فراهم کند.

این سیستم همچنین ممکن است برای برخی از انواع سیستم‌های فتوولتائیک متمرکز مفید باشد، جایی که از آینه‌ها برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی سلول خورشیدی برای افزایش کارایی آن استفاده می‌شود. اما چنین سیستم هایی می توانند به راحتی بیش از حد گرم شوند و به طور کلی نیاز به مدیریت حرارتی فعال با سیالات و پمپ ها دارند. در عوض، پشت چنین سیستم‌های متمرکزی را می‌توان با سطوح تابشی مادون قرمز میانی که در سیستم خنک‌کننده غیرفعال استفاده می‌شود، نصب کرد و می‌توان گرمایش را بدون هیچ مداخله‌ای فعال کنترل کرد.

همانطور که آنها به بهبود سیستم ادامه می دهند، بزرگترین چالش یافتن راه هایی برای بهبود عایق بندی دستگاه است تا از گرم شدن بیش از حد آن از هوای اطراف جلوگیری شود، در حالی که مانع از توانایی آن در تابش گرما نمی شود. Leroy می‌گوید: «چالش اصلی یافتن مواد عایق است که شفاف از مادون قرمز باشد.

این تیم برای ثبت اختراع در مورد این اختراع درخواست داده است و امیدوار است که بتواند به سرعت برنامه های کاربردی در دنیای واقعی را پیدا کند.

این تیم شامل Lin Zhao، Melissa Gianello، Duanhui Li، Tian Gu و Juejun Hu بودند که همه در MIT بودند. این کار به عنوان بخشی از مرکز تبدیل انرژی حرارتی خورشیدی حالت جامد (S3TEC)، یک مرکز تحقیقات مرزی انرژی در وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی شد.

 

پایان پیام/.