Исследователи из Массачусетского технологического института усовершенствовали технологию, используемую для достижения пассивного охлаждения — метода, который вообще не требует электричества. В своих недавних попытках постдокторский исследователь Чжэнмао Лу и его коллеги добились пассивного охлаждения до 9,3 градуса по Цельсию, говорится в пресс-релизе университета. Система сочетает в себе две автономные технологии пассивного охлаждения, которые использовались ранее, а затем добавили теплоизоляцию, чтобы обеспечить значительно более эффективное охлаждение, чего раньше не было. Эта система не только освобождает от необходимости копать яму под землёй, чтобы сделать холодильник, но и единственное техническое обслуживание, которое потребуется, — это добавление воды. Частота этого процесса также будет зависеть от влажности помещения.
Как работает эта система
Исследователи продемонстрировали свою технологию на крыше здания Массачусетского технологического института с коробками диаметром 10 сантиметров, которые можно было легко принять за солнечную панель. Устройства, которые они сделали, состоят из трёх слоёв материала, выполняющие двойную роль охлаждающей воды, а также пропускающие тепло. Верхний слой выполнен из аэрогеля, губчатой структуры из полиэтилена с воздухом, заключённым в полости. Несмотря на то, что материал является изолирующим по своей природе, он пропускает водяной пар и инфракрасное излучение. Под аэрогелем находится слой гидрогеля, который представляет собой ещё один губчатый материал, но его полости заполнены водой. Наконец, зеркальный слой отражает весь входящий свет обратно на другие компоненты устройства, так что нагреваются компоненты, а не содержимое коробки для хранения.
Когда вода в гидрогеле нагревается, она превращается в водяной пар и поднимается вверх (испарительное охлаждение), забирая с собой часть тепла. Пар также может проходить через аэрогель, который также позволяет инфракрасному излучению (радиационному охлаждению) переносить часть тепла от устройства прямо через воздух в космос. Достигнутое таким образом охлаждение можно использовать для хранения продуктов на 40 процентов дольше во влажных условиях и в три раза дольше в более сухих условиях, говорится в пресс-релизе.
Преграда на пути к коммерциализации
Эта технология также может быть использована для снижения нагрузки на компрессоры кондиционера за счёт их охлаждения. Это повысит эффективность кондиционера и приведёт к экономии энергии. Тем не менее, существует серьёзное препятствие, прежде чем эту технологию можно будет масштабировать в коммерческих масштабах. Предыдущие попытки использовать пассивное охлаждение имели частичный успех, поскольку испаряющиеся материалы, используемые в этом процессе, нагревались под солнцем и не могли обеспечить достаточное охлаждение.
Аэрогель, использованный в этих экспериментах, был разработан командой Массачусетского технологического института и требует дорогостоящего производственного процесса.
Растворители, используемые при производстве аэрогеля, необходимо удалять медленно, не повреждая структуру аэрогеля. Это достигается с помощью специального оборудования, которое облегчает сушку в критической точке (CPD), что увеличивает стоимость. В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы определить, могут ли недорогие методы, такие как сушка вымораживанием или использование альтернативных материалов, избежать необходимости в CPD, тем самым снизив затраты. На данный момент команда не знает, когда именно это станет возможным.
С результатами проведенного исследования можно ознакомиться в журнале Cell Reports Physical Science.
Фото: interestingengineering.com
Пассивное охлаждение, основанное на испарении и излучении, предлагает большие возможности для энергосбережения, но сталкивается с проблемами, связанными с низкой мощностью охлаждения окружающей среды, нагревом окружающей среды, высоким потреблением воды и ограничениями по климатическим условиям. Чтобы преодолеть эти недостатки, авторы исследования демонстрируют изолированное охлаждение с испарением и излучением (ICER), в котором используется отражающий солнце слой; испарительный слой, излучающий инфракрасное излучение; и прозрачный для инфракрасного излучения, отражающий солнечные лучи и паропроницаемый изоляционный слой.
Одним из основных преимуществ ICER является то, что он синергетически сочетает в себе теплоизоляцию, испарительное охлаждение и радиационное охлаждение.
Следовательно, он постоянно достигает температуры ниже температуры смоченного термометра при гораздо меньшем потреблении воды, чем при чистом испарении, при этом достигая температуры на 9,3 °C ниже температуры окружающей среды под прямыми солнечными лучами.
В неблагоприятных климатических условиях ICER обеспечивает мощность охлаждения в дневное время 96 Вт/м2 при температуре окружающей среды, что на 300 % больше, чем у современного радиационного охладителя. В летние месяцы без электричества ICER может продлить срок хранения продуктов на 40% во влажном климате и на 200% в сухом климате с низкой частотой доливки воды.