Радиационное охлаждение

Изобретение велосипеда зачастую описывает процесс создания чего-то, что уже создано. Другими словами, бессмысленный труд. Однако в научном мире существует множество трудов, которые можно описать этой фразой. Тем не менее многократное создание одного и того же велосипеда разными людьми позволяет взглянуть на него под разным углом, тем самым усовершенствовав его. Подобная ситуация сложилась и с материалами, способными отражать большой процент солнечного тепла, дабы получить пассивное охлаждение без необходимости в системах кондиционирования. Эта тема уже затрагивалась нами ранее (http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/company/ua-hosting/blog/510582/), но ученые из университета Пердью (США) решили взглянуть на эту проблему по-своему, создав при этом ультрабелую краску, способную отражать до 98.1% солнечных лучей. В чем секрет нового лакокрасочного материала, как он создавался, и будет ли его использование на практике действительно выгодным и экологичным? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Лейтмотивом исследований, связанных со снижением экономической и экологической нагрузки на охлаждение, является радиационное (излучательное) охлаждение. Данный метод заключается в пассивном охлаждении за счет специальных устройств, материалов, покрытий и прочего. Чаще всего для реализации радиационного охлаждения применяются сложные многослойные структуры или отражающие металлические слои. Эффект от них, конечно, имеется, однако такой вариант не особо практичен и выгоден.

Попытки реализовать радиационное охлаждение с помощью одного слоя краски тоже часто заканчиваются провалом, ибо в таком случае этот слой будет весьма толстый, а эффект охлаждения незначительный.

Однако, радиационное охлаждение все же имеет свои преимущества, если правильно его реализовать. К примеру, в отличие от активного охлаждения, которое требует электричества, радиационное охлаждение использует атмосферное прозрачное окно (небесное окно) для испускания теплового излучения непосредственно в глубокое небо без потребления энергии. Если тепловое излучение через небесное окно превышает поглощение солнечного света, то на поверхности может сохраняться холодная окружающая среда даже под прямыми солнечными лучами.

Ранее уже были попытки создать краску, способную реализовать радиационное охлаждение. Был вариант, в котором использовался тонкий слой TiO₂ на алюминиевой подложке. В зимний день такая структура демонстрировала температуру на 2 C ниже температуры окружающей среды. Однако, по словам ученых, это, вероятно, было связано скорее с подложкой, а не с самой краской.

Были и варианты без каких-либо красок, основанные на многослойных структурах. В одном из таких вариантов использовались металлический слой, полиэтиленовый аэрогель и делигнифицированная древесина. Очевидно, что подобные конструкции крайне сложны и дороги в реализации, не говоря уже о большой толщине результирующего покрытия.

Другими словами, методов реализации радиационного охлаждения существует довольно много, каждый из них обладает рядом преимуществ и недостатков. Авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили попытать удачу в этой области и создали еще один метод пассивного охлаждения, основанный на сочетании пленки из наночастиц BaSO₄ и краски, содержащей эти же наночастицы.

Результаты исследования

Выбор BaSO₄ в качестве главного героя данного труда был неслучайным. BaSO₄ имеет широкую запрещенную зону, что хорошо для малого солнечного поглощения, и фононный резонанс на 9 мкм, что хорошо для высокой излучательной способности. Приняв во внимание эти особенности, удалось создать пленку из наночастиц BaSO₄ с высоким коэффициентом отражения солнечного света (97.6%) и коэффициентом излучения прозрачного окна (0.96).

Для повышения стабильности и надежности пленки была создана акриловая краска, содержащая наночастицы BaSO₄ (60% от объема). Высокая концентрация наночастиц и их широкое распределение по размерам позволяют снизить показатель преломления BaSO₄, что приводит к коэффициенту отражения солнечного света в 98.1% и излучательной способности в 0.95. По заявлению ученых, их BaSO₄-акриловая краска имеет показатель качества 0.77, который является одним из самых высоких среди подобных структур для радиационного охлаждения. При этом их вариант надежен, легок в использовании, а также прекрасно имплементируется в промышленный процесс производства красок.


Изображение 1

Коммерческие белые краски (TiO₂-акриловая) не могут достичь полноценного охлаждения из-за высокого поглощения в УФ-диапазоне (из-за ширины запрещенной зоны TiO₂ в 3.2 эВ) и ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне (из-за акриловой абсорбции).

В данном труде была изготовлена пленка из частиц BaSO₄ толщиной 150 мкм на кремниевой пластине (1а) в совмещении с коммерческой белой краской. На СЭМ-снимках (СЭМ от сканирующий электронный микроскоп) пленки BaSO₄ (1b) видно образование воздушных пустот. Интерфейсы между наночастицами BaSO₄ и воздушной полостью увеличивают рассеяние фотонов в пленке, тем самым увеличивая общий коэффициент отражения солнечного света.

Для повышения надежности структуры необходимо обеспечить устойчивость BaSO₄ пленки к воздействию окружающей среды. Именно для этого и была использована акриловая краска. Однако, краска на базе BaSO₄ (1c) обладает низким коэффициентом преломления, в отличие от TiO₂. Чтобы исправить это, концентрация частиц BaSO₄ в краске была повышена до 60%, что значительно выше, чем в промышленных красках.


Изображение 2

Как показано на изображении 2a, для достижения успешного охлаждения ниже температуры окружающей среды необходимы высокая степень отражения солнечного света и высокая степень излучательной способности. Для достижения этого необходимо было уменьшить поглощение в УФ-диапазоне. Это было достигнуто за счет BaSO₄, обладающего запрещенной зоной в ~6 эВ.

А за счет фононного резонанса на 9 мкм возможно проектирование частиц определенного размера так, чтобы лишь один слой был необходим для достижения как отражательной способности, так и излучательной. В результате оптимальный размер частиц BaSO₄ составил 400 нм. В результате пленка BaSO₄ обладала коэффициентом отражения солнечного света в 97.6% и коэффициентом излучения в 0.96 (2b). Эти показатели лучше тех, что демонстрируют коммерчески доступные теплоотражающие краски (коэффициент отражения солнечного света от 80% до 91%).

Ученые отмечают, что использованная в их структуре кремниевая подложка была всего лишь фундаментом, и никак не участвовала в повышении показателей охлаждения. На графике 2c показано сравнение коэффициента отражения различных структур: с подложкой (разный материал и толщина) и без нее. Как мы можем видеть, использование подложки никак не влияет на охлаждающую способность всей структуры.

Что касается краски, то вариант с высоким содержанием частиц BaSO₄ показал лучшие результаты: коэффициент отражения солнечного света 98.1%; коэффициент излучения 0.95. Физика, лежащая в основе высокой степени отражения, была смоделирована посредством метода Монте-Карло* (2d).

Метод Монте-Карло* метод изучения случайных процессов, когда оные описываются математической моделью с использованием генератора случайных величин. Модель многократно обсчитывается, а на основе полученных данных рассчитываются вероятностные характеристики изучаемого процесса.

Толщина слоя краски также была установлена посредством моделирования и практических опытов. При толщине 400 мкм достигались максимальные значения показателей отражения и излучения, тогда как при других толщинах они были немного меньше: при 200 мкм 95.8%; при 224 мкм 96.2%; при 280 мкм 96.8% (2e).


Изображение 3

Далее были проведены полевые испытания, дабы воочию понаблюдать за работой созданной структуры. Опыты проводились 14-16 марта 2018 года в городе Вест-Лафайет (штат Индиана) при пиковом солнечном излучении 907 Вт/м² и влажности 42% (3a).

Температура образца упала на 10.5 C ниже температуры окружающей среды в течение ночи и оставалась на 4.5 C ниже температуры окружающей среды даже при пиковом солнечном излучении. Для сравнения, коммерческие варианты краски нагревались на 6.8 C выше температуры окружающей среды при таких же условиях опыта.

Дополнительные опыты в городе Рино (штат Невада) 28 июля 2018 года показали, что мощность охлаждения достигла в среднем 117 Вт/м² за суточный период при 10% влажности (3b).

Мощность теплового излучения увеличивалась с повышением температуры поверхности в дневное время, что компенсирует более высокое поглощение солнечной энергии. Таким образом, оценка мощности охлаждения без учета температуры поверхности может быть неверным показателем эффективности охлаждения.

Термоэмиссионная мощность пленки BaSO₄ при 15 C достигала 106 Вт/м². Дополнительно были проведены полевые испытания BaSO₄ краски (3c и 3d), которая оставалась холоднее окружающей среды в течение суток при пиковом солнечном излучении в 993 Вт/м² и влажности около 50% (показатель получен в полдень).

Поскольку созданная BaSO₄ краска предназначена для наружного применения, необходимо было также проверить ее надежность. Для этого были проведены тесты на истирание, атмосферные воздействия на открытом воздухе и определение вязкости.


Изображение 4

Во время тестов на истирание (4a) на образец помещали пару абразивных кругов с нагрузкой 250 г на каждый круг. Обновление кругов производилось каждые 500 циклов, между чем измерялась потеря массы образца. Коэффициент износа определялся как потеря массы (мг) на каждые 1000 циклов. Результирующий коэффициент износа BaSO₄ краски достигал 150, что сравнимо с коммерческими красками (104). Тест влияния окружающей среды проводился довольно просто: образец помещали под открытым небом на 3 недели (4b). В течение всего времени коэффициент отражения солнечного света и коэффициент излучения оставались практически неизменными. Вязкость BaSO₄ краски также была измерена и показала значения, схожие с оным для коммерческих вариантов (4c).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые в очередной раз обратили свое внимание на вопрос радиационного охлаждения, который соблазняет своей экологичностью и экономичностью по сравнению с классическими методами. Их идея заключается в использовании микроскопических частиц BaSO₄ и создании двухслойной структуры. Один слой это пленка из этих частиц, второй акриловая краска, в состав которой входят опять же частицы BaSO₄.

В результате полученная пленка смогла показать коэффициент отражения солнечного света 97.6%, а коэффициент излучения 0.96. Но это еще не максимум, что может разработанная структура. Совместив пленку из BaSO₄ с краской, в состав которой также входит BaSO₄, удалось достичь коэффициента отражения солнечного света 98.1% и коэффициента излучения 0.95.

Полевые испытания показали, что температура поверхности, покрытой BaSO₄ краской, была на 4.5 C ниже температуры окружающей среды, а средняя мощность охлаждения при этом составляла 117 Вт/м².

По надежности и износостойкости полученная краска ничем не уступает своим коммерческим собратьям. Кроме того, имплементация данной разработки в промышленность не требует больших затрат или специфического оборудования. Другими словами, создавать и использовать такой материал будет довольно просто и выгодно.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?