Gli ingegneri hanno progettato un nuovo sistema che può aiutare a raffreddare gli edifici in aree metropolitane affollate senza consumare elettricità, un'importante innovazione in un momento in cui le città stanno lavorando per adattarsi ai cambiamenti climatici.

Il sistema è costituito da un materiale speciale, un film di polimero/alluminio poco costoso, installato all'interno di una scatola nella parte inferiore di un "rifugio" solare appositamente progettato. Il film aiuta a mantenere fresco l'ambiente circostante assorbendo il calore dall'aria all'interno della scatola e trasmettendo quell'energia attraverso l'atmosfera terrestre nello spazio. Il rifugio ha un duplice scopo, aiutando a bloccare la luce solare in arrivo, allo stesso tempo irradiando radiazioni termiche emesse dal film nel cielo.

"Il polimero rimane freddo mentre dissipa il calore attraverso la radiazione termica, e può quindi raffreddare l'ambiente, " dice il co-primo autore Lyu Zhou, un dottorato di ricerca candidato in ingegneria elettrica presso l'Università della Buffalo School of Engineering and Applied Sciences. "Questo si chiama raffreddamento radiativo o passivo, ed è molto interessante perché non consuma elettricità, non avrà bisogno di una batteria o di un'altra fonte di elettricità per realizzare il raffreddamento."

"Una delle innovazioni del nostro sistema è la capacità di dirigere intenzionalmente le emissioni termiche verso il cielo, ", afferma il ricercatore capo Qiaoqiang Gan, dottorato di ricerca, Professore associato UB di ingegneria elettrica. "Normalmente, le emissioni termiche viaggiano in tutte le direzioni. Abbiamo trovato un modo per irradiare le emissioni in una direzione ristretta. Ciò consente al sistema di essere più efficace negli ambienti urbani, dove ci sono edifici alti su tutti i lati. Usiamo a basso costo, materiali disponibili in commercio, e scoprono che si comportano molto bene."

Presi insieme, il sistema di riparo e scatola progettato dagli ingegneri misura circa 18 pollici di altezza (45,72 centimetri), 10 pollici di larghezza e 10 pollici di lunghezza (25,4 centimetri). Per raffreddare un edificio, numerose unità del sistema dovrebbero essere installate per coprire un tetto.

La ricerca sarà pubblicata il 5 agosto in Sostenibilità della natura . Lo studio è stato una collaborazione internazionale tra il gruppo di Gan presso UB, Il gruppo di Boon Ooi alla King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Arabia Saudita, e il gruppo di Zongfu Yu presso l'Università del Wisconsin-Madison. Insieme a Zhou, co-primi autori sono Haomin Song, dottorato di ricerca, UB assistente professore di ricerca in ingegneria elettrica, e Jianwei Liang alla KAUST. Lo studio è stato finanziato in parte dalla National Science Foundation.

Un sistema che funziona durante il giorno e in ambienti affollati

Il nuovo sistema di raffreddamento passivo affronta un problema importante sul campo:come può funzionare il raffreddamento radiativo durante il giorno e nelle aree urbane affollate.

"Durante la notte, il raffreddamento radiativo è facile perché non abbiamo input solare, quindi le emissioni termiche si esauriscono e realizziamo facilmente il raffreddamento radiativo, " Song dice. "Ma il raffreddamento diurno è una sfida perché il sole splende. In questa situazione, è necessario trovare strategie per evitare che i tetti si surriscaldino. È inoltre necessario trovare materiali emissivi che non assorbono l'energia solare. Il nostro sistema affronta queste sfide".

Se collocato all'aperto durante il giorno, il film che emana calore e il riparo solare hanno contribuito a ridurre la temperatura di un piccolo, spazio chiuso di un massimo di circa 6 gradi Celsius (11 gradi Fahrenheit). Di notte, quella cifra è salita a circa 11 gradi Celsius (circa 20 gradi Fahrenheit).

In che modo l'architettura innovativa può favorire il raffreddamento radiativo

Il nuovo sistema di raffreddamento radiativo incorpora una serie di caratteristiche di design otticamente interessanti.

Uno dei componenti centrali è il film polimero/metallo, che è costituito da un foglio di alluminio rivestito con un polimero trasparente chiamato polidimetilsilossano. L'alluminio riflette la luce del sole, mentre il polimero assorbe e dissipa il calore dall'aria circostante. Gli ingegneri hanno posizionato il materiale sul fondo di una scatola di schiuma e hanno eretto un "riparo" solare sopra la scatola, utilizzando un materiale che assorbe l'energia solare per costruire quattro pareti inclinate verso l'esterno, insieme a un cono quadrato rovesciato all'interno di quelle mura.

Questa architettura ha un duplice scopo:primo, aiuta a assorbire la luce del sole. Secondo, la forma delle pareti e il cono di calore diretto emesso dal film verso il cielo.

"Se guardi il faro della tua macchina, ha una certa struttura che gli permette di dirigere la luce in una certa direzione, "Dice Gan. "Noi seguiamo questo tipo di design. La struttura del nostro sistema di travi aumenta il nostro accesso al cielo. La capacità di dirigere le emissioni migliora le prestazioni del sistema in aree affollate."