Emettitore di gennaio (JET) per il raffreddamento di ambienti chiusi. (A) Schema di JET applicato a un'automobile ferma sotto la luce solare diretta, dove il calore è intrappolato dall'effetto serra. La proprietà di radiazione termica di Janus consente l'assorbimento a banda larga delle onde IR dall'involucro e l'emissione selettiva nello spazio ultrafreddo. Fotografia nel riquadro:JET fabbricato che mostra una forte riflessione nel campo del visibile. Credito fotografico:Yeong Jae Kim, GIST. (B) Vista strutturale ingrandita. Dall'alto verso il basso:4-μm PDMS, d'argento, quarzo microfantasia, e PDMS da 10 μm. (C) Spettri di emissione del JET ideale con emissione a banda larga (BE) in basso ed emissione selettiva (SE) in alto. BB, radiazione del corpo nero. (D) Vista schematica in sezione trasversale di JET. (E) In alto:struttura del polimero e coefficiente di estinzione del PDMS. Spettri di emissione FIR simulati di JET per SE (al centro) e BE (in basso) nella regione della lunghezza d'onda da 0 a 16 μm. (F) Profili di assorbimento di PDMS sottile (in alto) e JET (in basso) a lunghezza d'onda di 10,75 μm, dove la più grande perdita di emissione si verifica nel PDMS sottile. (G e H) Potenze di raffreddamento calcolate (Pcool) e temperature di raffreddamento (Tcool) con radiazione solare AM1.5G per (G) PDMS a film sottile rispetto a SE di giorno e (H) SE rispetto a BE di giorno (linee tratteggiate) e notturne ( linee continue). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb1906
Attualmente è difficile raffreddare in modo efficiente spazi chiusi come le automobili ferme che intrappolano il calore attraverso l'effetto serra. In un nuovo rapporto in Progressi scientifici , Se-Yeon Heo e un team di scienziati nella scienza dei materiali, ingegneria e nanoarchitettura in Giappone e Repubblica di Corea, ha presentato un emettitore Janus (JET) per il raffreddamento superficiale. Hanno usato uno strato di argento (Ag)-polidimetilsilossano (PDMS) su un substrato di quarzo micromodellato e il materiale ha permesso loro di raffreddare lo spazio anche quando il JET era attaccato all'interno di un involucro. Di conseguenza, il JET (Janus emitter) potrebbe mitigare passivamente l'effetto serra negli involucri e offrire prestazioni di raffreddamento superficiale paragonabili ai tradizionali dispositivi di raffreddamento radiativi.
Tecnologie di raffreddamento
Le attuali tecnologie di raffreddamento dipendono dalla compressione del vapore e dai sistemi raffreddati a fluido, ma consumano circa il 10 per cento dell'energia globale, accelerando l'esaurimento dei combustibili fossili. Tra il 1990 e il 2018 la quantità di anidride carbonica (CO 2 ) le emissioni del raffreddamento degli spazi sono più che triplicate fino a raggiungere i 1130 milioni di tonnellate, insieme a crescenti problemi di riduzione dell'ozono e inquinamento atmosferico. La Terra può raffreddarsi tramite il raffreddamento radiativo una strategia di gestione termica passiva per emettere calore indesiderato nello spazio senza consumo di energia, e i dispositivi di raffreddamento radiativi passivi hanno mostrato un raffreddamento sub-ambiente quando attaccati a materiali esterni come il tetto o persino la pelle umana per assorbire calore attraverso convezione o conduzione durante il giorno. Però, tali strategie possono essere inefficaci durante l'accumulo di calore estremo nei veicoli fermi, dove si possono sviluppare temperature estremamente elevate sotto l'effetto serra a causa di finestre trasparenti che lasciano entrare la radiazione solare, pur essendo opaco alla radiazione termica a onde lunghe in uscita. In questo lavoro, Heo et al. ha proposto un emettitore termico Janus che funga da emettitore selettivo (SE) in alto e come emettitore a banda larga (BE) in basso. Il design ha assorbito efficacemente il calore dallo spazio interno e dalla superficie, mentre la parte superiore emetteva calore nello spazio senza disturbare l'irraggiamento ambientale.
Analisi teoriche, ottimizzazione, e caratterizzazione di JET. (A) Curva di dispersione di sSPP per il superstrato con l'indice di rifrazione di PDMS. Aree ombreggiate gialle e grigie:banda eccitabile e banda proibita di sSPP determinata dall'aria e dalle linee luminose PDMS, rispettivamente. Regioni ombreggiate arancioni e bluastre:finestre sSPP dalla (1, 0)/(0, 1) e (1, 1) modalità, rispettivamente. (B e C) Spettri di emissività in funzione dello spessore (B) di un superstrato non assorbente e del coefficiente di estinzione (C) del superstrato. Questi risultati mostrano che i miglioramenti delle emissioni a seconda dello spessore del superstrato e del coefficiente di estinzione si verificano solo nelle finestre sSPP, in particolare la finestra sSPP dalla (1, 0)/(0, 1) modalità. (D) Spettri di emissività di PDMS a film sottile (linea tratteggiata blu cielo) e JET senza e con substrato SiO2 (linee rosse e blu, rispettivamente). Riquadri arancioni:aree con emissività migliorata dalle finestre sSPP. Riquadri bianchi:regioni con emissività intrinsecamente forte da parte di PDMS a causa dell'alto coefficiente di estinzione. Scatola verdastra:il substrato di SiO2 rinforza il calo di emissività scoperto dalla finestra sSPP e dalla forte regione di emissività. (E e F) Ottimizzazioni del duty cycle e della profondità. (G) Risposta angolare calcolata di JET, mostrando una caratteristica di emissione selettiva mantenuta fino all'angolo di incidenza di 80°. (H a J) Immagini SEM di JET ottimizzato (H e I) senza rivestimento in Ag o PDMS e (J) con rivestimento in Ag e PDMS. (K e L) Spettri di emissività misurati e simulati per (K) SE e (L) BE del JET fabbricato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb1906 
Gli scienziati hanno prima progettato un emettitore selettivo (SE) a base di polimeri che incorpora il polaritone plasmonico di superficie simulato (sSPP) per ottenere una selettività quasi ideale. Quindi hanno mostrato teoricamente e sperimentalmente le prestazioni di raffreddamento dell'emettitore Janus (JET) su entrambi i lati, proprio come i dispositivi di raffreddamento radiativi all'avanguardia. Il JET ha funzionato come un canale di calore efficace per assorbire la radiazione termica a banda larga dall'interno e dal fondo, mentre si utilizza il lato superiore per irradiare calore come onde infrarosse (IR) nello spazio esterno, proprio come un lavandino freddo. Il campione conteneva uno strato di polidimetilsilossano (PDMS), uno strato di argento spesso 100 nm e uno strato di quarzo microfantasia rivestito con PDMS di 10 µm di spessore sul fondo. Il JET ha ridotto al minimo il disturbo dell'energia solare e delle radiazioni ambientali, dove il lato inferiore ha ampiamente assorbito la radiazione termica interna. Il team ha calcolato i poteri di raffreddamento e le temperature di raffreddamento per l'emettitore selettivo (SE) e l'emettitore a banda larga (BE) durante lo studio.
Heo et al. ha analizzato gli effetti delle risonanze spoof surface plasmon polariton (sSPP) sull'emissività del JET e la simulazione ha mostrato forti picchi di assorbimento risonante eccitati tra le due modalità sSPP, a causa della risonanza della cavità di Fabry-Pérot del setup. Il JET ha mostrato un'emissività angolare robusta vicino alla finestra atmosferica. Utilizzando immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) hanno osservato il quarzo micromodellato con o senza rivestimento PDMS. Gli spettri di emissività misurati e simulati hanno indicato caratteristiche quasi ideali sia negli emettitori selettivi (SE) che negli emettitori a banda larga (BE) del sistema JET fabbricato.
Prestazioni di raffreddamento superficiale di due emettitori in JET. (A) (In alto) Illustrazione schematica e (in basso) fotografia del dispositivo di raffreddamento radiativo nella configurazione di prova sul tetto. scatola dell'aria ambiente, che impedisce l'autoriscaldamento del sensore dell'aria, è mostrato in fig. S5 (A e B) in dettaglio. Credito fotografico:Gil Ju Lee, GIST. (B) (In alto) Intensità solare media e temperatura media di raffreddamento (ΔT) di SE e BE in giornate serene e foschia. Tutti i dati dimostrano che SE ha prestazioni di raffreddamento subambiente migliori. (In basso) Temperatura registrata in dettaglio misurata del risultato per il giorno 2. (C) Componenti di potenza calcolate nell'equazione dell'equilibrio termico (Prad, dom, Pnon-rad, e Patm) nel tempo, utilizzando i dati in (B). La linea tratteggiata indica BE, e la linea continua è SE. (D a F) Misurazioni continue di trenta ore per (D) intensità solare e temperature di SE, ESSERE, e aria ambiente; (E) umidità relativa (UR) e punto di rugiada; e (F) la potenza frigorifera (PCool) di SE e BE. La potenza di riscaldamento è generata dall'uscita dell'alimentatore quando la temperatura del campione corrisponde all'aria ambiente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb1906 
Per esaminare la potenza di raffreddamento e la temperatura di raffreddamento sia degli emettitori selettivi che degli emettitori a banda larga (SE e BE) nel dispositivo, gli scienziati hanno avuto accesso a un tetto all'aperto presso il Gwangju Institute of Science (GIST). Il team ha impedito l'autoriscaldamento del sensore dell'aria ambiente utilizzando un air box ambientale per ombreggiare lo spettro solare e ha fornito un flusso d'aria continuo alla configurazione. Hanno testato l'affidabilità dei sensori di temperatura e non hanno utilizzato uno schermo di convezione a causa della trasmittanza imperfetta. I risultati hanno mostrato un raffreddamento sub-ambientale in diverse condizioni meteorologiche, dove foschia e umidità hanno inibito il trasferimento di calore all'atmosfera. Heo et al. classificato l'equazione del bilancio energetico in regime stazionario in quattro termini di potenza, compresa la (1) potenza emessa dal campione, (2) potenza assorbita dall'emissione in atmosfera, (3) potenza assorbita dall'irraggiamento solare e (4) trasferimento di calore senza irraggiamento, che comprendeva conduzione e convezione. Il SE era più efficace durante il raffreddamento sub-ambiente rispetto al BE. Il team ha misurato la potenza di raffreddamento insieme alle condizioni climatiche durante gli esperimenti.
Rilascio di calore da JET in veicoli fermi. Confronto schematico del dispositivo di raffreddamento radiativo convenzionale e del nostro emettitore Janus per un veicolo fermo. Il veicolo fermo accumula energia solare e diventa estremamente riscaldato. (A) Il raffrescatore convenzionale peggiora il riscaldamento riflettendo la radiazione interna e provocando l'effetto serra. (B) Il radiatore Janus raffredda l'auto assorbendo ampiamente il calore intrappolato all'interno ed emettendolo selettivamente nello spazio esterno. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb1906
Capacità di raffreddamento di JET in uno spazio chiuso
Sebbene il trasferimento di calore avvenga principalmente per convezione in aree aperte, il meccanismo può differire in uno spazio chiuso con una fonte di calore. Per esempio, un'automobile parcheggiata sotto il sole può riscaldare da 60 gradi fino a 80 gradi Celsius, sebbene la temperatura ambiente sia di soli 21 gradi Celsius, causando ipertermia nei bambini occupanti. Durante la radiazione termica di Janus, il JET (emettitori di Janus) può funzionare come canale di calore per prelevare calore dall'involucro e alterare significativamente la distribuzione della temperatura nella regione interna. Il JET è altamente efficiente nell'abbassare la temperatura dall'area schermata tramite l'assorbimento a banda larga e consentendo l'emissione termica selettiva attraverso la finestra atmosferica.
Il team ha sviluppato un modello sperimentale utilizzando metallo in alluminio e pelle nera per imitare l'interno e il pavimento di un veicolo fermo, parcheggiato sotto il sole. Hanno eseguito l'esperimento su un tetto e hanno notato le eccezionali prestazioni di raffreddamento di JET nello spazio chiuso ripetutamente in quattro giorni diversi in condizioni meteorologiche diverse. In base ai risultati, il team ha proposto di sostituire il materiale utilizzato qui con altri polimeri per una serie di vantaggi ottimizzati, compresa una maggiore capacità di raffreddamento complessiva riducendo al minimo l'energia solare e aumentando la radiazione termica. Le proprietà superficiali del JET hanno fornito anche effetti impermeabilizzanti e autopulenti.
Dimostrazione del raffreddamento dell'armadio utilizzando la modalità Janus di JET. (A) Configurazione della misurazione utilizzando un riscaldatore interno. Credito fotografico:Gil Ju Lee, GIST. (B) Temperatura misurata del riscaldatore a regime con C-RC, Rev. JET, e JET. La tensione e la corrente fornite al riscaldatore sono state fissate a 7,5 V e 0,105 A, rispettivamente, per 5 minuti La temperatura ambiente media era di 11,6°, 11,3°, e 11,0°C durante le misurazioni di C-RC, Rev. JET, e GETTO, rispettivamente. Credito fotografico:Gil Ju Lee, GIST. (C) Temperature del riscaldatore simulate considerando lo scambio di calore con l'aria ambiente per i tre raffreddatori radiativi. hc =0 W/m2 per K si riferisce all'assenza di scambio termico tra l'armadio e l'aria ambiente. Le condizioni delle simulazioni sono le seguenti:flusso termico =4 W, Tamb =25°C, e l'emissività della finestra atmosferica nella lunghezza d'onda da 8 a 13 μm =30%. (D) Temperatura del riscaldatore simulata a seconda dell'emissività della finestra atmosferica nella lunghezza d'onda da 8 a 13 μm per i dispositivi di raffreddamento radiativi. L'emissività più bassa indica una finestra atmosferica più trasparente. I parametri di simulazione sono i seguenti:flusso termico =4 W, Tamb =25°C, e hc =4 W/m2 per K. Gli spettri di emissività dettagliati dei refrigeratori e della finestra atmosferica sono mostrati in fig. S6C. (E) Configurazione schematica con riscaldamento mediante radiazione solare esterna in una forma sagomata di un'auto. Il foro sulla parte superiore dell'alloggiamento Al è coperto dal campione, mentre il lato anteriore è coperto da una finestra trasparente solare e riflettente IR. (F) Temperature dell'oggetto radiativo per diversi gruppi di materiali di copertura:C-RC (nero), Rev. JET (rosso), e JET (blu). (G) Misurazioni per 4 giorni con diverse condizioni atmosferiche di sereno e foschia. Le condizioni meteorologiche sono stimate in termini di energia solare (giallo), DX (verde), e la temperatura dell'aria ambiente (grigio). Nero, rosso, e blu indicano rispettivamente le temperature di tre refrigeratori. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb1906
In questo modo, Se-Yeon Heo e colleghi hanno mostrato come gli emettitori Janus fornissero una strategia passiva per l'emissione selettiva nello spazio esterno, insieme all'assorbimento della banda larga sul lato opposto dell'armadio. Per realizzare questo, hanno sviluppato un emettitore selettivo (SE) quasi ideale con polaritone plasmonico di superficie simulato (sSPP) all'interno di un polimero PDMS rivestito su un telaio di quarzo micromodellato rivestito d'argento per gli esperimenti. Hanno esaminato la capacità di JET di raffreddare gli armadi, dove ha assorbito il calore rispetto ad altri materiali. Utilizzando le caratteristiche di emissione bidirezionale degli emettitori Janus, il team ha abbassato la temperatura di un oggetto radiativo in un recinto che simulava un ambiente automobilistico fermo. La capacità superiore di raffreddare passivamente sia le superfici superiore che inferiore, nonché gli spazi chiusi, può consentire lo sviluppo di design avanzati per ridurre al minimo l'effetto serra in spazi chiusi come le automobili ferme.
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