Зачем отражать тепло обратно в космос

Не так давно стэнфордские инженеры изобрели революционный материал для покрытия, который может помочь охладить здания даже в солнечные дни

Не так давно стэнфордские инженеры изобрели революционный материал для покрытия, который может помочь охладить здания даже в солнечные дни, отражая тепло от них и отправляя их прямо в космос. Команда под руководством электротехника профессора Шанхуи Фана и научного сотрудника Аасвата Рамана опубликовала результаты работы в журнале Nature. Получат ли инженеры Нобелевскую премию за свою работу? Зачем вообще это нужно?

Как это работает?

В основе изобретения лежит сверхтонкий многослойный материал, который взаимодействует со светом, как видимым, так и невидимым, совершенно новым образом.

Невидимый свет в форме инфракрасного излучения — это форма тепла, которую излучают все объекты и живые существа. Когда мы стоим перед закрытой печью и не касаемся ее, тепло, которое мы ощущаем, это и есть инфракрасный свет. Этот невидимый свет и предлагают ученые Стэнфорда отправлять обратно в космос.

Конечно, солнечный свет серьезно нагревает здания. Новый материал, взаимодействуя с излучением, будет выступать в качестве потрясающе эффективного зеркала, которое будет отражать практически весь входящий солнечный свет.

В основе работы лежит так называемое фотонное радиационное охлаждение — которое не только будет разгружать инфракрасное тепло внутри здания, но и отражать солнечный свет. В результате могут появиться охлажденные здания, не требующие кондиционирования воздуха.

«Это весьма новая и чрезвычайно простая идея, — заявил Эли Яблонович, профессор инженерии в Калифорнийском университете в Беркли и пионер фотоники, который руководит Центром наук энергоэффективной электроники. — Благодаря работе профессора Фана, мы сможем использовать радиационное охлаждение не только ночью, но и в дневное время, что весьма удивительно».

Исследователи говорят, что спроектировали материал, который будет экономически эффективным при крупномасштабном развертывании на крыше строящегося здания. Хотя эта технология еще очень молода, в один прекрасный день она может привести к существенному снижению спроса на электроэнергию. На системы кондиционирования воздуха в одних только США приходится порядка 15% используемой энергии.

На практике, считают исследователи, это покрытие можно будет распылять на более твердый материал.

«Команда показала, как можно пассивно охлаждать здания, просто отправляя тепло в холодную темноту космоса», — заявил нобелевский лауреат по физике Бертон Рихтер, заслуженный профессор Стэнфорда и бывший директор научно-исследовательского центра, который сейчас называется «Национальная ускорительная лаборатория SLAC».

Нагревающийся мир нуждается в технологиях охлаждения, не требующих питания, так считает Раман, ведущий автор работы. «В развивающихся странах фотонное радиационное охлаждение сможет обеспечить охлаждение без необходимости энергопитания в сельских районах, а также серьезно снизить необходимость кондиционирования в городских небоскребах».

Окно в космос

Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводность, конвекция и излучение. Теплопроводность обеспечивается соприкосновением. Поэтому мы не трогаем горячие кастрюли голыми руками. Конвекция передает тепло за счет движения жидкости или воздуха. Вам она знакома по теплым потокам воздуха из открытой печи. Радиация (излучение) передает тепло в форме инфракрасного излучения, которое исходит от объектов, но остается невидимым.

Первая часть поверхности инновационного материала излучает инфракрасный свет прямо в космос. Сверхтонкое покрытие было тщательно спроектировано, чтобы отправлять инфракрасный свет от зданий на точно заданной частоте, которая позволит ему проходить через атмосферу, не нагревая воздух. Эта ключевая особенность берется во внимание из-за глобального потепления.

«Подумайте о ней, будто у нас есть окно в космос», — говорит Фан.

Однако просто отправлять тепло в космос недостаточно. Многослойное покрытие действует и как высокоэффективное зеркало, поглощая 97% солнечного света, падающего на здание и нагревающего его.

«Мы создали что-то вроде зеркальной батареи», — говорит Раман.

Излучение и отражение вместе позволяют фотонному радиационному охлаждающему материалу оставаться на 9 градусов холоднее, чем окружающий воздух в течение дня. Многослойный материал имеет толщину всего в 1,8 микрон, это тоньше алюминиевой фольги.

Он состоит из семи слоев диоксида кремния и оксида гафния, нанесенного сверх на тонкий слой серебра. Эти слои не обладают одинаковой толщиной. Внутренняя структура материала позволяет излучать инфракрасные лучи с частотой, которая позволяет им проходить в космос, не нагревая воздух и здания.

«Такой фотонный подход позволил нам точно настроить отражения солнечных лучей и инфракрасного теплового излучения», — говорит Линьцзяо Чжу, соавтор статьи. Воистину, материал разработан с применением лучших наработок нанофотоники.

От прототипа к строительству

Изготовление фотонного радиационного охлаждения в больших масштабах требует решения двух оставшихся технических проблем.

Во-первых, нужно решить, как проводить тепло внутри здания к внешнему покрытию. Оказавшись там, тепло будет отправлено прямо в космос, но инженерам нужно выяснить, как эффективно передавать тепло здания на покрытие.

Во-вторых, проблемным остается производство. Сейчас команда Стэнфорда обладает прототипом размером с пиццу. Но охлаждение здания потребует больших панелей. Исследователи говорят, что им понадобятся крупные производственные мощности, чтобы сделать панели нужных размеров.

В более широком смысле команда считает, что их проект — это первый шаг в направлении использования холода космоса в качестве ресурса. Точно так же, как солнечный свет представляет возобновляемый источник энергии солнца, холод вселенной может предоставлять неограниченные возможности по охлаждению. Иными словами, скорость света равна скорости тьмы.

«Каждый объект, который вырабатывает тепло, должен сливать его в тепловую раковину, — говорит Фан. — Мы проложили путь к исследованию того, как можно использовать холод вселенной в качестве тепловой раковины в течение всего дня».