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Eine neue Art der Kühlung ohne Strom: Am MIT entwickeltes Gerät könnte Kälte für netzferne Standorte bereitstellen

MIT-Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um an heißen, sonnigen Tagen für Abkühlung zu sorgen, unter Verwendung preiswerter Materialien und ohne Energie aus fossilen Brennstoffen. Das passive System, die als Ergänzung zu anderen Kühlsystemen verwendet werden könnten, um Lebensmittel und Medikamente heiß zu konservieren, netzferne Standorte, ist im Wesentlichen eine Hightech-Version eines Sonnenschirms.

Zwei Versionen des von MIT-Forschern entworfenen Geräts, Verwenden Sie einen Metallstreifen, um direktes Sonnenlicht zu blockieren, wurden auf dem Dach eines MIT-Gebäudes gebaut und getestet, um zu bestätigen, dass sie weit unter der Umgebungslufttemperatur kühlen können. Foto von Bikram Bhatia

Das System ermöglicht die Emission von Wärme im mittleren Infrarotbereich von Licht, das direkt durch die Atmosphäre dringen und in die Kälte des Weltraums strahlen kann, direkt durch die Gase schlagen, die wie ein Treibhaus wirken. Um eine Erwärmung durch direkte Sonneneinstrahlung zu verhindern, Ein kleiner Metallstreifen, der über dem Gerät aufgehängt ist, blockiert die direkte Sonneneinstrahlung.

Das neue System wird diese Woche im Journal beschrieben Nature Communications in einem Artikel des Forschers Bikram Bhatia, Doktorand Arny Leroy, Professorin für Maschinenbau und Abteilungsleiterin Evelyn Wang, Physikprofessor Marin Soljačić, und sechs weitere am MIT.

In der Theorie, Das von ihnen entworfene System könnte eine Kühlung von bis zu bieten 20 Grad Celsius (36 Grad Fahrenheit) unter der Umgebungstemperatur an einem Ort wie Boston, sagen die Forscher. Bisher, in ihren ersten Proof-of-Concept-Tests, Sie haben eine Abkühlung von erreicht 6 C (Über 11 F). Für Anwendungen, die noch mehr Kühlung erfordern, der Rest könnte durch herkömmliche Kältesysteme oder thermoelektrische Kühlung erreicht werden.

Andere Gruppen haben versucht, passive Kühlsysteme zu entwickeln, die Wärme in Form von Lichtwellenlängen im mittleren Infrarotbereich abstrahlen, Diese Systeme basierten jedoch auf komplex konstruierten photonischen Geräten, deren Herstellung teuer und für eine breite Verwendung nicht ohne weiteres verfügbar sein kann, sagen die Forscher. Die Geräte sind komplex, weil sie darauf ausgelegt sind, alle Wellenlängen des Sonnenlichts nahezu perfekt zu reflektieren, und nur Strahlung im mittleren Infrarotbereich zu emittieren, hauptsächlich. Diese Kombination aus selektivem Reflexionsvermögen und Emissionsvermögen erfordert ein mehrschichtiges Material, bei dem die Dicke der Schichten auf Nanometer-Präzision gesteuert wird.

Aber es stellt sich heraus, dass eine ähnliche Selektivität erreicht werden kann, indem man einfach das direkte Sonnenlicht mit einem schmalen Streifen blockiert, der genau im richtigen Winkel platziert wird, um den Weg der Sonne über den Himmel abzudecken, erfordert kein aktives Tracking durch das Gerät. Dann, ein einfaches Gerät, das aus einer Kombination aus kostengünstiger Kunststofffolie besteht, poliertes Aluminium, weiße Farbe, und die Isolierung kann die notwendige Wärmeabgabe durch Strahlung im mittleren Infrarotbereich ermöglichen, So kühlen die meisten natürlichen Objekte ab, Gleichzeitig wird verhindert, dass das Gerät durch direkte Sonneneinstrahlung aufgeheizt wird. Eigentlich, Seit der Antike werden einfache Strahlungskühlsysteme verwendet, um eine nächtliche Kühlung zu erreichen; das problem war, dass solche systeme tagsüber nicht funktionierten, weil die heizwirkung des sonnenlichts zu gering war 10 mal stärker als die maximal erreichbare Kühlwirkung.

Aber die Wärmestrahlen der Sonne breiten sich in geraden Linien aus und werden leicht blockiert – wie wir erfahren, zum Beispiel, indem Sie an einem heißen Tag in den Schatten eines Baumes treten. Indem das Gerät abgeschattet wird, indem im Wesentlichen ein Regenschirm darüber gelegt wird, und ergänzend dazu eine Isolierung um das Gerät herum, um es vor der Umgebungslufttemperatur zu schützen, Die Forscher machten die passive Kühlung praktikabler.

„Wir haben den Aufbau aufgebaut und Experimente im Freien auf einem MIT-Dach durchgeführt,“, sagt Bhatia. „Es wurde mit sehr einfachen Materialien gemacht“ und zeigte deutlich die Wirksamkeit des Systems.

„Es ist irgendwie täuschend einfach,“, sagt Wang. „Durch einen separaten Schirm und einen Emitter zur Atmosphäre – zwei separate Komponenten, die relativ kostengünstig sein können – erfordert das System keine besondere Fähigkeit, selektiv zu emittieren und zu absorbieren. Wir verwenden die Winkelselektivität, um die direkte Sonne zu blockieren, während wir weiterhin die wärmetragenden Wellenlängen in den Himmel emittieren.“

Dieses Projekt „inspirierte uns dazu, über die Verwendung von ‚Schatten‘ nachzudenken,’“, sagt Yichen Shen, ein Forschungspartner und Co-Autor des Papiers. "In der Vergangenheit, Die Leute haben nur darüber nachgedacht, es zu verwenden, um die Erwärmung zu reduzieren. Aber jetzt, Wir wissen, ob der Schatten zusammen mit einer unterstützenden Lichtfilterung intelligent eingesetzt wird, es kann tatsächlich verwendet werden, um das Objekt abzukühlen," er sagt.

Ein begrenzender Faktor für das System ist die Feuchtigkeit in der Atmosphäre, Leroy sagt, die einen Teil der Infrarotstrahlung durch die Luft blockieren können. An einem Ort wie Boston, nahe am Ozean und relativ feucht, dies schränkt die erreichbare Gesamtkühlmenge ein, Beschränkung auf ca 20 Grad Celsius. Aber in trockeneren Umgebungen, wie der Südwesten der USA. oder viele Wüsten- oder trockene Umgebungen auf der ganzen Welt, die maximal erreichbare Kühlung könnte sogar deutlich größer sein, er verdeutlicht, potenziell so viel wie 40 C (72 F).

Während sich die meisten Forschungen zur Strahlungskühlung auf größere Systeme konzentrierten, die zur Kühlung ganzer Räume oder Gebäude eingesetzt werden könnten, Dieser Ansatz ist stärker lokalisiert, sagt Wang: „Dies wäre für Kühlanwendungen nützlich, wie Lebensmittellagerung oder Impfstoffe.“ In der Tat, Schutz von Impfstoffen und anderen Arzneimitteln vor dem Verderb bei Hitze, tropischen Bedingungen war eine große anhaltende Herausforderung, für deren Bewältigung diese Technologie gut positioniert sein könnte.

Auch wenn das System nicht ausreichte, um die Temperatur auf das erforderliche Niveau zu senken, „es könnte zumindest die Belastungen“ der elektrischen Kälteanlagen reduzieren, um nur das letzte bisschen Abkühlung zu bieten, sagt Wang.

Das System könnte auch für einige Arten von konzentrierten Photovoltaiksystemen nützlich sein, wo Spiegel verwendet werden, um Sonnenlicht auf eine Solarzelle zu fokussieren, um deren Effizienz zu erhöhen. Solche Systeme können jedoch leicht überhitzen und erfordern in der Regel ein aktives Thermomanagement mit Flüssigkeiten und Pumpen. Stattdessen, Die Rückseite solcher Konzentrationssysteme könnte mit den im mittleren Infrarot emittierenden Oberflächen ausgestattet werden, die in dem passiven Kühlsystem verwendet werden, und konnte die Heizung ohne aktives Eingreifen steuern.

Sie arbeiten weiterhin an der Verbesserung des Systems, Die größte Herausforderung besteht darin, Möglichkeiten zu finden, die Isolierung des Geräts zu verbessern, um eine zu starke Erwärmung durch die Umgebungsluft zu vermeiden, ohne seine Fähigkeit, Wärme abzustrahlen, zu blockieren. „Die größte Herausforderung besteht darin, Isoliermaterial zu finden, das infrarotdurchlässig ist,“, sagt Leroy.

Das Team hat Patente auf die Erfindung angemeldet und hofft, dass es ziemlich schnell beginnen kann, reale Anwendungen zu finden.


Quelle: news.mit.edu, von David L. krämer

Über Marie

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