MIT -forskare har tagit fram ett nytt sätt att tillhandahålla kylning en varm solig dag, använder billiga material och kräver ingen fossilbränsle. Det passiva systemet, som kan användas för att komplettera andra kylsystem för att bevara mat och mediciner i varmt, platser utanför nätet, är i huvudsak en högteknologisk version av ett parasoll.

Systemet tillåter utsläpp av värme vid mitten av infrarött ljusområde som kan passera rakt ut genom atmosfären och stråla ut i kylan i yttre rymden, stansar genom gaserna som fungerar som ett växthus. För att förhindra uppvärmning i direkt solljus, en liten metallremsa upphängd ovanför enheten blockerar solens direkta strålar.

Det nya systemet beskrivs i veckan i tidningen Naturkommunikation i en uppsats av forskaren Bikram Bhatia, doktorand Arny Leroy, professor i maskinteknik och avdelningschef Evelyn Wang, professor i fysik Marin Soljacic, och sex andra på MIT.

I teorin, systemet de konstruerade skulle kunna kyla upp till 20 grader Celsius (36 grader Fahrenheit) under omgivningstemperaturen på en plats som Boston, säger forskarna. Än så länge, i deras första proof-of-concept-testning, de har uppnått en kylning av 6 C (cirka 11 F). För applikationer som kräver ännu mer kylning, resten kan uppnås genom konventionella kylsystem eller termoelektrisk kylning.

Andra grupper har försökt att utforma passiva kylsystem som strålar ut värme i form av mitten av infraröda våglängder av ljus, men dessa system har baserats på komplexa konstruerade fotoniska enheter som kan vara dyra att göra och inte lätt tillgängliga för utbredd användning, säger forskarna. Enheterna är komplexa eftersom de är utformade för att reflektera alla våglängder av solljus nästan perfekt, och bara för att avge strålning i mitten av infrarött område, för det mesta. Den kombinationen av selektiv reflektivitet och emissivitet kräver ett flerskiktsmaterial där tjocklekarna på lagren regleras till nanometerprecision.

Men det visar sig att liknande selektivitet kan uppnås genom att helt enkelt blockera direkt solljus med en smal remsa placerad i precis rätt vinkel för att täcka solens väg över himlen, kräver ingen aktiv spårning av enheten. Sedan, en enkel enhet byggd av en kombination av billig plastfilm, polerad aluminium, vit färg, och isolering kan möjliggöra nödvändig utsläpp av värme genom mitten av infraröd strålning, vilket är hur de flesta naturliga föremålen svalnar, samtidigt som enheten förhindras från att värmas upp av direkt solljus. Faktiskt, enkla strålande kylsystem har använts sedan antiken för att uppnå nattkylning; problemet var att sådana system inte fungerade på dagtid eftersom uppvärmningseffekten av solljuset var minst 10 gånger starkare än den maximalt uppnåbara kyleffekten.

Men solens värmestrålar rör sig i raka linjer och blockeras lätt - som vi upplever, till exempel, genom att kliva in i skuggan av ett träd en varm dag. Genom att skugga enheten genom att väsentligen lägga ett paraply över den, och kompletterar det med isolering runt enheten för att skydda den från omgivningens lufttemperatur, forskarna gjorde passiv kylning mer livskraftig.

"Vi byggde upp installationen och gjorde utomhusförsök på ett MIT -tak, "Bhatia säger." Det gjordes med mycket enkla material "och visade tydligt systemets effektivitet.

"Det är lite bedrägligt enkelt, "Wang säger." Genom att ha en separat nyans och en emitter till atmosfären-två separata komponenter som kan vara relativt billiga-kräver systemet inte en speciell förmåga att avge och absorbera selektivt. Vi använder vinkelselektivitet för att tillåta blockering av direkt sol, när vi fortsätter att avge de värmebärande våglängderna till himlen. "

Detta projekt "inspirerade oss att tänka om användningen av" skugga, säger Yichen Shen, en forskningsassistent och medförfattare till uppsatsen. "Förr, människor har bara funderat på att använda den för att minska uppvärmningen. Men nu, vi vet om skuggan används smart tillsammans med lite stödjande ljusfiltrering, det kan faktiskt användas för att kyla ner föremålet, " han säger.

En begränsande faktor för systemet är luftfuktighet i atmosfären, Leroy säger, som kan blockera en del av det infraröda utsläppet genom luften. På en plats som Boston, nära havet och relativt fuktigt, detta begränsar den totala mängden kylning som kan uppnås, begränsar den till cirka 20 grader Celsius. Men i torrare miljöer, såsom sydvästra USA eller många öken- eller torra miljöer runt om i världen, den maximalt möjliga kylningen kan faktiskt vara mycket större, han påpekar, potentiellt så mycket som 40 C (72 F).

Medan den mesta forskningen om strålningskylning har fokuserat på större system som kan tillämpas på kylning av hela rum eller byggnader, detta tillvägagångssätt är mer lokaliserat, Wang säger:"Detta skulle vara användbart för kylapplikationer, såsom matförvaring eller vacciner. "Faktum är att skydda vacciner och andra läkemedel mot förstörelse i heta, tropiska förhållanden har varit en stor pågående utmaning som denna teknik skulle kunna vara väl positionerad att hantera.

Även om systemet inte var tillräckligt för att sänka temperaturen ända till nödvändiga nivåer, "det kan åtminstone minska belastningarna" på de elektriska kylsystemen, för att ge bara den sista biten av kylning, Säger Wang.

Systemet kan också vara användbart för vissa typer av koncentrerade solcellssystem, där speglar används för att fokusera solljus på en solcell för att öka dess effektivitet. Men sådana system kan lätt överhettas och i allmänhet kräver aktiv värmehantering med vätskor och pumpar. Istället, baksidan av sådana koncentreringssystem kan vara utrustade med de mitten av infraröda utsändande ytor som används i det passiva kylsystemet, och kunde styra uppvärmningen utan något aktivt ingrepp.

När de fortsätter att arbeta med att förbättra systemet, den största utmaningen är att hitta sätt att förbättra isoleringen av enheten, för att förhindra att den värms upp för mycket från den omgivande luften, samtidigt som den inte blockerar dess förmåga att utstråla värme. "Den största utmaningen är att hitta isolerande material som skulle vara infrarött, "Säger Leroy.

Teamet har ansökt om patent på uppfinningen och hoppas att det kan börja hitta verkliga applikationer ganska snabbt.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.