Föreställ dig en enhet som kan sitta ute i flammande solljus en klar dag, och utan att använda någon ström kyla ner saker med mer än 23 grader Fahrenheit (13 grader Celsius). Det låter nästan som magi, men ett nytt system designat av forskare vid MIT och i Chile kan göra precis det.

Enheten, som inte har några rörliga delar, fungerar genom en process som kallas strålningskylning. Det blockerar inkommande solljus för att inte värma upp det, och samtidigt effektivt utstrålar infrarött ljus – som i huvudsak är värme – som passerar rakt ut i himlen och ut i rymden, kyla enheten betydligt under den omgivande lufttemperaturen.

Nyckeln till hur detta enkla, billigt system är en speciell typ av isolering, gjord av ett polyetenskum som kallas aerogel. Detta lätta material, som ser ut och känns lite som marshmallow, blockerar och reflekterar de synliga solljusstrålarna så att de inte tränger igenom det. Men det är mycket genomskinligt för de infraröda strålarna som bär värme, så att de kan passera fritt utåt.

Det nya systemet beskrivs idag i en artikel i tidskriften Vetenskapens framsteg , av MIT doktorand Arny Leroy, professor i maskinteknik och avdelningschef Evelyn Wang, och sju andra vid MIT och vid det påvliga katolska universitetet i Chile.

Ett sådant system skulle kunna användas, till exempel, som ett sätt att förhindra att grönsaker och frukt förstörs, potentiellt fördubbla den tid produkten kan förbli färsk, på avlägsna platser där tillförlitlig kraft för kylning inte är tillgänglig, Leroy förklarar.

Minimerar värmeökningen

Strålningskylning är helt enkelt den huvudsakliga processen som de flesta varma föremål använder för att kyla ner. De sänder ut infraröd strålning i mellanregistret, som transporterar värmeenergin från föremålet rakt ut i rymden eftersom luften är mycket transparent för infrarött ljus.

Den nya enheten är baserad på ett koncept som Wang och andra demonstrerade för ett år sedan, som också använde radiativ kylning men använde en fysisk barriär, en smal remsa av metall, för att skugga enheten från direkt solljus för att förhindra att den värms upp. Den enheten fungerade, men det gav mindre än hälften av mängden kyleffekt som det nya systemet uppnår tack vare det mycket effektiva isoleringsskiktet.

"Det stora problemet var isoleringen, " Leroy förklarar. Den största tillförseln av värme som hindrade den tidigare enheten från att uppnå djupare kylning var från värmen från den omgivande luften. "Hur håller man ytan kall samtidigt som den fortfarande låter den stråla ut?" undrade han. Problemet är att nästan alla isoleringsmaterial är också mycket bra på att blockera infrarött ljus och skulle därför störa den strålande kyleffekten.

Det har gjorts mycket forskning om sätt att minimera värmeförluster, säger Wang, som är Gail E. Kendall professor i maskinteknik. Men det här är en annan fråga som har fått mycket mindre uppmärksamhet:hur man minimerar värmeökningen. "Det är ett väldigt svårt problem, " hon säger.

Lösningen kom genom utvecklingen av en ny typ av aerogel. Aerogeler är lätta material som till största delen består av luft och ger mycket bra värmeisolering, med en struktur som består av mikroskopiska skumliknande formationer av något material. Teamets nya insikt var att göra en aerogel av polyeten, materialet som används i många plastpåsar. Resultatet är en mjuk, squishy, vitt material som är så lätt att en given volym bara väger 1/50 så mycket som vatten.

Nyckeln till dess framgång är att medan den blockerar mer än 90 procent av inkommande solljus, på så sätt skyddar ytan under från uppvärmning, det är mycket genomskinligt för infrarött ljus, låter cirka 80 procent av värmestrålarna passera fritt utåt. "Vi blev väldigt glada när vi såg det här materialet, säger Leroy.

Resultatet är att det dramatiskt kan kyla ner en tallrik, gjorda av ett material som metall eller keramik, placeras under det isolerande lagret, som kallas för en sändare. Den plattan kan sedan kyla en behållare kopplad till den, eller sval vätska som passerar genom spolar i kontakt med den, för att tillhandahålla kylning för produkter eller luft eller vatten.

Att testa enheten

För att testa deras förutsägelser om dess effektivitet, teamet tillsammans med deras chilenska medarbetare satte upp en proof-of-concept-enhet i Chiles Atacama-öken, delar som är det torraste landet på jorden. De får praktiskt taget ingen nederbörd, än, att vara precis vid ekvatorn, de får flammande solljus som kan sätta enheten på ett riktigt test. Enheten uppnådde en kylning på 13 grader Celsius under fullt solljus vid solens middagstid. Liknande tester på MIT:s campus i Cambridge, Massachusetts, uppnådde strax under 10 graders kylning.

Det är tillräckligt med kylning för att göra en betydande skillnad när det gäller att bevara produkter på avlägsna platser, säger forskarna. Dessutom, den skulle kunna användas för att tillhandahålla ett första kylsteg för elektrisk kylning, vilket minimerar belastningen på dessa system så att de kan arbeta mer effektivt med mindre effekt.

Teoretiskt sett, en sådan anordning kan uppnå en temperatursänkning på så mycket som 50 C, forskarna säger, så de fortsätter att arbeta på sätt att ytterligare optimera systemet så att det kan utökas till andra kyltillämpningar som byggnadsluftkonditionering utan behov av någon strömkälla. Radiativ kylning har redan integrerats med vissa befintliga luftkonditioneringssystem för att förbättra deras effektivitet.

Redan, fastän, de har uppnått en större mängd kylning under direkt solljus än någon annan passiv, andra strålningssystem än de som använder ett vakuumsystem för isolering – vilket är mycket effektivt men också tungt, dyr, och ömtåliga.

Detta tillvägagångssätt kan också vara ett billigt tillägg till alla andra typer av kylsystem, ger ytterligare kyla för att komplettera ett mer konventionellt system. "Vilket system du än har, " Leroy säger, "lägg aerogelen på den, och du kommer att få mycket bättre prestanda."

Peter Bermel, en docent i el- och datateknik vid Purdue University, som inte var involverad i detta arbete, säger, "Den största potentiella fördelen med polyetenaerogelen som presenteras här kan vara dess relativa kompakthet och enkelhet, jämfört med ett antal tidigare experiment."

Han lägger till, "Det kan vara till hjälp att kvantitativt jämföra och kontrastera denna metod med några alternativ, såsom polyetenfilmer och vinkelselektiv blockering vad gäller prestanda (t.ex. temperaturförändring), kosta, och vikt per ytenhet. … Den praktiska fördelen skulle kunna vara betydande om jämförelsen utfördes och kostnad/nytta-avvägningen avsevärt gynnade dessa aerogeler."