Con l'aumento delle temperature e le ondate di calore che interrompono la vita in tutto il mondo, le soluzioni di raffreddamento stanno diventando sempre più essenziali. Questo è un problema critico soprattutto nei paesi in via di sviluppo, dove il caldo estivo può essere estremo e si prevede che si intensificherà. Ma i metodi di raffreddamento comuni come i condizionatori d'aria sono costosi, consumare notevoli quantità di energia, richiedono un pronto accesso all'elettricità, e spesso richiedono refrigeranti che riducono l'ozono o hanno un forte effetto serra.

Un'alternativa a questi metodi di raffreddamento ad alta intensità energetica è il raffreddamento radiativo diurno passivo (PDRC), un fenomeno in cui una superficie si raffredda spontaneamente riflettendo la luce solare e irradiando calore all'atmosfera più fredda. PDRC è più efficace se una superficie ha un'elevata riflettanza solare (R) che riduce al minimo il guadagno di calore solare, e un alto, emittanza termica (ε) che massimizza la perdita di calore radiativo verso il cielo. Se R e sono sufficientemente alti, può verificarsi una perdita di calore netta, anche sotto la luce del sole.

Lo sviluppo di progetti pratici PDRC è stato impegnativo:molte proposte di progettazione recenti sono complesse o costose, e non può essere ampiamente implementato o applicato su tetti ed edifici, che hanno forme e consistenze diverse. Fino ad ora, vernici bianche, economici e di facile applicazione, sono stati il ​​punto di riferimento per PDRC. vernici bianche, però, di solito hanno pigmenti che assorbono la luce UV, e non riflettono molto bene le lunghezze d'onda solari più lunghe, quindi la loro performance è solo modesta nella migliore delle ipotesi.

I ricercatori della Columbia Engineering hanno inventato un rivestimento esterno in polimero PDRC ad alte prestazioni con vuoti d'aria da nano a microscala che agisce come un dispositivo di raffreddamento dell'aria spontaneo e può essere fabbricato, tinto, e applicato come vernice sui tetti, edifici, serbatoi d'acqua, veicoli, persino veicoli spaziali, tutto ciò che può essere dipinto. Hanno utilizzato una tecnica di inversione di fase basata su soluzioni che conferisce al polimero una struttura porosa simile a una schiuma. I vuoti d'aria nel polimero poroso si disperdono e riflettono la luce solare, a causa della differenza nell'indice di rifrazione tra i vuoti d'aria e il polimero circostante. Il polimero diventa bianco e quindi evita il riscaldamento solare, mentre la sua emittanza intrinseca fa sì che disperda efficacemente calore verso il cielo. Lo studio è pubblicato online oggi in Scienza .

La squadra:Yuan Yang, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali; Nanfang Yu, professore associato di fisica applicata; e Jyotirmoy Mandal, autore principale dello studio e uno studente di dottorato nel gruppo di Yang (tutti i dipartimenti di fisica applicata e matematica applicata), basato su lavori precedenti che hanno dimostrato che le plastiche e i polimeri semplici, compreso acrilico, silicone, e PET, sono ottimi radiatori di calore e potrebbero essere utilizzati per PDRC. Le sfide erano come far sì che questi polimeri normalmente trasparenti riflettessero la luce solare senza utilizzare specchi d'argento come riflettori e come renderli facilmente dispiegabili.

Hanno deciso di utilizzare l'inversione di fase perché è un semplice, metodo basato su soluzioni per creare vuoti d'aria a dispersione di luce nei polimeri. Polimeri e solventi sono già utilizzati nelle vernici, e il metodo Columbia Engineering essenzialmente sostituisce i pigmenti nella vernice bianca con vuoti d'aria che riflettono tutte le lunghezze d'onda della luce solare, dai raggi UV agli infrarossi.

"Questa modifica semplice ma fondamentale produce R e eccezionali che eguagliano o superano quelli dei progetti PDRC all'avanguardia, ma con una comodità quasi pittorica, "dice Mandal.

I ricercatori hanno scoperto l'elevata riflettanza solare del loro rivestimento polimerico (R> 96%) e l'elevata emissività termica (ε ~ ​​97%) lo mantenevano significativamente più fresco del suo ambiente sotto cieli molto diversi, per esempio. di 6 C al caldo, arido deserto in Arizona e 3 C nella nebbia, ambiente tropicale del Bangladesh. "Il fatto che il raffreddamento si ottenga sia in climi desertici che tropicali, senza alcuna protezione termica o schermatura, dimostra l'utilità del nostro design ovunque sia richiesto il raffreddamento, "Note Yang.

Il team ha anche creato rivestimenti polimerici colorati con capacità di raffreddamento aggiungendo coloranti. "Raggiungere un equilibrio superiore tra colore e prestazioni di raffreddamento rispetto alle vernici attuali è uno degli aspetti più importanti del nostro lavoro, " Note Yu. "Per i rivestimenti esterni, la scelta del colore è spesso soggettiva, e i produttori di vernici hanno cercato di realizzare rivestimenti colorati, come quelli per i tetti, per decenni."

Il gruppo ha preso le questioni ambientali e operative, come la riciclabilità, biocompatibilità, e operatività ad alta temperatura, in considerazione, e hanno mostrato che la loro tecnica può essere generalizzata a una gamma di polimeri per ottenere queste funzionalità. "I polimeri sono una classe di materiali sorprendentemente diversificata, e poiché questa tecnica è generica, proprietà desiderabili aggiuntive possono essere comodamente integrate nei nostri rivestimenti PDRC, se sono disponibili polimeri adatti, "Aggiunge Mandal.

"La natura offre molti modi per riscaldare e raffreddare, alcuni dei quali sono estremamente conosciuti e ampiamente studiati e altri poco conosciuti. Il raffreddamento radiativo, utilizzando il cielo come dissipatore di calore, appartiene a quest'ultimo gruppo, e il suo potenziale è stato stranamente trascurato dagli scienziati dei materiali fino a pochi anni fa, ", afferma Claes-Göran Granqvist, professore di fisica dell'Università di Uppsala, un pioniere nel campo del raffreddamento radiativo, che non era coinvolto nello studio. "La pubblicazione di Mandal et al. evidenzia l'importanza del raffreddamento radiativo e rappresenta un importante passo avanti dimostrando che i rivestimenti polimerici gerarchicamente porosi, che può essere preparato in modo economico e conveniente, offrono un ottimo raffreddamento anche in pieno sole."

Yang, Yu, e Mandal stanno perfezionando il loro design in termini di applicabilità, esplorando possibilità come l'uso di polimeri e solventi completamente biocompatibili. Sono in trattative con l'industria sui prossimi passi.

"Ora è un momento critico per sviluppare soluzioni promettenti per l'umanità sostenibile, "Note Yang, "Quest'anno, abbiamo assistito a ondate di calore e temperature da record in Nord America, Europa, Asia, e Australia. È essenziale trovare soluzioni a questa sfida climatica, e siamo molto entusiasti di lavorare su questa nuova tecnologia che lo affronta".

Yu aggiunge che pensava che il bianco fosse il colore più irraggiungibile:"Quando ho studiato pittura ad acquerello anni fa, le vernici bianche erano le più costose. Cremnitz bianco o bianco piombo era la scelta dei grandi maestri, tra cui Rembrandt e Lucian Freud. Abbiamo ora dimostrato che il bianco è in effetti il ​​colore più realizzabile. Può essere realizzato utilizzando nient'altro che vuoti d'aria opportunamente dimensionati incorporati in un mezzo trasparente. I vuoti d'aria sono ciò che rende le formiche argentate bianche come la neve e sahariane."

Lo studio è intitolato "Rivestimenti polimerici gerarchicamente porosi per un raffreddamento radiativo diurno passivo altamente efficiente".