Ingenjörer har designat ett nytt system som kan hjälpa kyla byggnader i trånga storstadsområden utan att förbruka el, en viktig innovation i en tid då städer arbetar för att anpassa sig till klimatförändringarna.

Systemet består av ett speciellt material - en billig polymer/aluminiumfilm - som är installerad inuti en låda längst ner på ett specialdesignat solskydd. Filmen hjälper till att hålla omgivningen sval genom att absorbera värme från luften inuti lådan och överföra den energin genom jordens atmosfär ut i rymden. Skyddsrummet tjänar ett dubbelt syfte, hjälper till att blockera inkommande solljus, samtidigt som den strålar värmestrålning som sänds ut från filmen till himlen.

"Polymeren förblir sval när den avleder värme genom termisk strålning, och kan sedan kyla ner miljön, " säger medförfattaren Lyu Zhou, en Ph.D. kandidat i elektroteknik vid universitetet vid Buffalo School of Engineering and Applied Sciences. "Detta kallas radiativ eller passiv kylning, och det är väldigt intressant eftersom det inte förbrukar elektricitet – det behöver inte ett batteri eller någon annan elkälla för att förverkliga kylning."

"En av innovationerna i vårt system är förmågan att målmedvetet rikta termiska utsläpp mot himlen, " säger huvudforskaren Qiaoqiang Gan, Ph.D., UB docent i elektroteknik. "I vanliga fall, termiska utsläpp går i alla riktningar. Vi har hittat ett sätt att stråla ut utsläppen i en smal riktning. Detta gör att systemet blir mer effektivt i stadsmiljöer, där det finns höga byggnader på alla sidor. Vi använder lågpris, kommersiellt tillgängliga material, och upptäcker att de presterar väldigt bra."

Tagen tillsammans, skydd-och-box-systemet som ingenjörerna designade är cirka 18 tum högt (45,72 centimeter), 10 tum bred och 10 tum lång (25,4 centimeter). För att kyla en byggnad, flera enheter av systemet skulle behöva installeras för att täcka ett tak.

Forskningen kommer att publiceras den 5 augusti in Naturens hållbarhet . Studien var ett internationellt samarbete mellan Gans grupp vid UB, Boon Oois grupp vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudiarabien, och Zongfu Yus grupp vid University of Wisconsin-Madison. Tillsammans med Zhou, medförsta författare är Haomin Song, Ph.D., UB biträdande professor i forskning inom elektroteknik, och Jianwei Liang på KAUST. Studien finansierades delvis av National Science Foundation.

Ett system som fungerar dagtid och i trånga miljöer

Det nya passiva kylsystemet tar itu med ett viktigt problem på området:Hur strålningskylning kan fungera på dagtid och i trånga tätorter.

"Under natten, strålningskylning är lätt eftersom vi inte har solenergi, så termiska utsläpp bara försvinner och vi inser lätt strålningskylning, "Sången säger. "Men nedkylning dagtid är en utmaning eftersom solen skiner. I den här situationen, du måste hitta strategier för att förhindra att hustaken värms upp. Du måste också hitta emitterande material som inte absorberar solenergi. Vårt system hanterar dessa utmaningar."

När den placeras utomhus under dagen, den värmeavgivande filmen och solskyddet hjälpte till att sänka temperaturen på en liten, slutet utrymme med högst cirka 6 grader Celsius (11 grader Fahrenheit). På natten, den siffran steg till cirka 11 grader Celsius (cirka 20 grader Fahrenheit).

Hur innovativ arkitektur kan driva strålningskylning

Det nya radiativa kylsystemet innehåller ett antal optiskt intressanta designegenskaper.

En av de centrala komponenterna är polymer/metallfilmen, som är gjord av ett ark av aluminium belagd med en klar polymer som kallas polydimetylsiloxan. Aluminiumet reflekterar solljus, medan polymeren absorberar och avleder värme från den omgivande luften. Ingenjörer placerade materialet i botten av en skumlåda och reste ett solskydd ovanpå lådan, använda ett solenergiabsorberande material för att konstruera fyra utåtlutande väggar, tillsammans med en inverterad fyrkantig kon inom dessa väggar.

Denna arkitektur tjänar ett dubbelt syfte:För det första, det hjälper till att spola upp solljus. Andra, formen på väggarna och konen riktar värme som avges av filmen mot himlen.

"Om du tittar på strålkastaren på din bil, den har en viss struktur som gör att den kan rikta ljuset i en viss riktning, " säger Gan. "Vi följer den här typen av design. Strukturen på vårt strålformande system ökar vår tillgång till himlen. Möjligheten att styra utsläppen förbättrar systemets prestanda i trånga områden."