Výskumníci z Changchunského inštitútu optiky, jemnej mechaniky a fyziky (CIOMP), Čínskej akadémie vied, dosiahli významný pokrok v chladení s nulovou spotrebou energie prostredníctvom pokročilých technológií radiačného chladenia. Ich spoločná práca vyvinula smerové tepelné žiariče, nazývané žiariče AS, ktoré dosahujú denné radiačné chladenie pre vertikálne povrchy. Zistenia s názvom „Subambientné denné radiačné chladenie vertikálnych povrchov“ boli publikované v Science.
Výzvy v oblasti radiačného chladenia
Tepelné žiarenie, kľúčový proces prenosu energie v prírode, tradične vykazuje izotropné, nekoherentné, širokopásmové a nepolarizované charakteristiky. To má za následok neobmedzenú výmenu tepla medzi sálavým telesom a jeho okolím, čím sa obmedzuje účinnosť a regulovateľnosť prenosu tepla sálaním.
Konvenčné radiačné chladiace zariadenia sa spoliehajú na široké vlastnosti tepelného žiarenia, vďaka čomu sú účinné predovšetkým pre otvorené horizontálne povrchy, ako sú strechy. Tieto povrchy maximalizujú vystavenie chladnejšej oblohe a zároveň minimalizujú tepelnú výmenu so zemou, okolím a atmosférickými nepriehľadnými oknami. Vertikálne povrchy, ako sú steny, oblečenie alebo boky vozidiel, však čelia obmedzeným uhlom pohľadu na oblohu a väčšej tepelnej výmene s okolitými objektmi, čo výrazne znižuje účinnosť chladenia. Predchádzajúce globálne pokusy o kontrolu spektra alebo uhlov tepelného žiarenia sa snažili čeliť výzvam chladenia pod okolitým prostredím na vertikálnych povrchoch počas dňa.
Inovatívny prístup a zistenia
Výskumný tím CIOMP, vedený Prof. Li Wei, využil termofotoniku na dosiahnutie simultánneho uhlového a spektrálneho riadenia vo viacerých pásmach vlnových dĺžok. Vyžarovač AS, ktorý navrhli, obsahuje asymetrické štruktúry v priečnom rozsahu na vytváranie uhlovo asymetrického a spektrálne selektívneho tepelného žiarenia. Táto inovácia umožnila efektívne denné sálavé chladenie pre vertikálne povrchy.
Hlavné príspevky:
Atmosférická adaptácia: Uvedomujúc si, že priepustnosť atmosféry klesá so zvyšujúcimi sa zenitovými uhlami, tím navrhol žiariče na nasmerovanie tepelného žiarenia preč z uhlov, kde je priepustnosť atmosféry najnižšia.
Slnečný odraz a tepelné vyžarovanie: AS žiarič maximalizuje slnečnú odrazivosť a dosahuje spektrálnu a uhlovú optimalizáciu v infračervenom pásme pre minimálnu absorpciu tepla.
Vysoký chladiaci výkon: Výskum dosiahol chladiaci výkon ~40 W/m² pre vertikálne povrchy, čím sa prekonali obmedzenia spôsobené zníženou expozíciou oblohy a tepelným rušením okolitých objektov.
Technické základy:
Cross-Scale Structural Design: Emitor využíva asymetrické štruktúry na dosiahnutie nerecipročného priestorového rozloženia žiarenia.
Spektrálna selektivita: Prispôsobená emisia v rámci okna priehľadnosti atmosféry.
Termofotonické princípy: Začlenenie vlnovodov, fonónom vylepšenej rezonancie a dizajnov narúšajúcich symetriu.
Aplikácie a implikácie
Tento prielom zlepšuje praktickú aplikáciu radiačného chladenia, najmä pre energeticky efektívne riadenie klímy v mestskom prostredí a na vertikálnych infraštruktúrach. Výskum tiež demonštruje vysokú flexibilitu pri tepelnej fotonickej manipulácii, čo vytvára príležitosti pre:
Efektívne chladiace a vykurovacie systémy.
Pokročilé technológie prenosu energie.
Vysoko presný tepelný manažment v optických a leteckých systémoch.
Práca s podporou Národnej nadácie pre prírodné vedy v Číne ukazuje potenciál termofotoniky pri riešení globálnych výziev energetickej účinnosti a udržateľnosti.