När världen blir varmare förväntas användningen av kraftkrävande luftkonditioneringssystem öka avsevärt, vilket belastar befintliga elnät och kringgår många platser med liten eller ingen tillförlitlig elkraft. Nu erbjuder ett innovativt system utvecklat vid MIT ett sätt att använda passiv kylning för att bevara matgrödor och komplettera konventionella luftkonditioneringsapparater i byggnader, utan behov av ström och endast ett litet behov av vatten.

Systemet, som kombinerar strålningskylning, evaporativ kylning och värmeisolering i en slimmad förpackning som kan likna befintliga solpaneler, kan ge upp till cirka 19 grader Fahrenheit (9,3 grader Celsius) kylning från omgivningstemperaturen, tillräckligt för att tillåta säker mat lagring ca 40 procent längre under mycket fuktiga förhållanden. Det kan tredubbla den säkra lagringstiden under torrare förhållanden.

Fynden rapporteras i tidskriften Cell Reports Physical Science , i en artikel av MIT postdoc Zhengmao Lu, Arny Leroy Ph.D. '21, professorerna Jeffrey Grossman och Evelyn Wang, och två andra. Medan mer forskning behövs för att få ner kostnaderna för en nyckelkomponent i systemet, säger forskarna att ett sådant system så småningom skulle kunna spela en betydande roll för att tillgodose kylbehoven i många delar av världen där en brist på el eller vatten begränsar användningen av konventionella kylsystem.

Systemet kombinerar på ett skickligt sätt tidigare fristående kyldesigner som var och en ger begränsade mängder kylkraft, för att producera betydligt mer kylning totalt sett - tillräckligt för att hjälpa till att minska matförlusterna från förstörelse i delar av världen som redan lider av begränsade livsmedelstillgångar. Som ett erkännande av den potentialen har forskargruppen delvis fått stöd av MIT:s Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab.

"Den här tekniken kombinerar några av de goda egenskaperna hos tidigare teknologier som evaporativ kylning och radiativ kylning", säger Lu. Genom att använda denna kombination, säger han, "visar vi att du kan uppnå betydande livslängd för livsmedel, även i områden där du har hög luftfuktighet", vilket begränsar kapaciteten hos konventionella förångnings- eller strålningskylsystem.

På platser som har befintliga luftkonditioneringssystem i byggnader kan det nya systemet användas för att avsevärt minska belastningen på dessa system genom att skicka kallt vatten till den hetaste delen av systemet, kondensorn. "Genom att sänka kondensorns temperatur kan du effektivt öka luftkonditioneringens effektivitet, så att du potentiellt kan spara energi", säger Lu.

Andra grupper har också ägnat sig åt passiv kylningsteknik, säger han, men "genom att kombinera dessa funktioner på ett synergistiskt sätt kan vi nu uppnå hög kylprestanda, även i områden med hög luftfuktighet där tidigare teknik i allmänhet inte fungerar bra."

Systemet består av tre lager material, som tillsammans ger kyla när vatten och värme passerar genom enheten. I praktiken skulle enheten kunna likna en konventionell solpanel, men istället för att släcka elektricitet skulle den direkt ge kyla, till exempel genom att fungera som taket på en matförvaringsbehållare. Eller så kan den användas för att skicka kylt vatten genom rör för att kyla delar av ett befintligt luftkonditioneringssystem och förbättra dess effektivitet. Det enda underhållet som krävs är att tillsätta vatten för avdunstningen, men förbrukningen är så låg att detta bara behöver göras ungefär en gång var fjärde dag i de hetaste, torraste områdena och bara en gång i månaden i fuktigare områden.

Det övre lagret är en aerogel, ett material som mestadels består av luft innesluten i håligheterna i en svampliknande struktur gjord av polyeten. Materialet är mycket isolerande men tillåter fritt att både vattenånga och infraröd strålning passerar igenom. Förångningen av vatten (som stiger upp från lagret nedan) tillhandahåller en del av kylkraften, medan den infraröda strålningen, som drar fördel av den extrema genomskinligheten av jordens atmosfär vid dessa våglängder, strålar ut en del av värmen rakt upp genom luften och ut i rymden —till skillnad från luftkonditioneringsapparater, som sprutar ut varm luft i den omedelbara omgivningen.

Under aerogelen finns ett lager av hydrogel - ett annat svampliknande material, men ett vars porutrymmen är fyllda med vatten snarare än luft. Det liknar material som för närvarande används kommersiellt för produkter som kylkuddar eller sårförband. Detta tillhandahåller vattenkällan för evaporativ kylning, eftersom vattenånga bildas på dess yta och ångan passerar rakt igenom aerogelskiktet och ut till omgivningen.

Under det reflekterar ett spegelliknande lager allt inkommande solljus som har nått det och skickar det tillbaka upp genom enheten istället för att låta det värma upp materialen och därmed minska deras termiska belastning. Och det översta lagret av aerogel, som är en bra isolator, är också starkt solreflekterande, vilket begränsar mängden solvärme för enheten, även under starkt direkt solljus.

"Nyheten här är egentligen bara att sammanföra den strålande kylningsfunktionen, den evaporativa kylningsfunktionen och även den termiska isoleringsfunktionen i en arkitektur", förklarar Lu. Systemet testades med en liten version, bara 4 tum tvärs över, på taket av en byggnad vid MIT, vilket bevisade dess effektivitet även under suboptimala väderförhållanden, säger Lu, och uppnådde 9,3 C kylning (18,7 F).

"Utmaningen tidigare var att evaporativa material ofta inte hanterar solabsorption bra", säger Lu. "Med dessa andra material, vanligtvis när de är under solen, blir de uppvärmda, så att de inte kan nå hög kyleffekt vid omgivningstemperaturen."

Aerogelmaterialets egenskaper är en nyckel till systemets totala effektivitet, men det materialet är i dagsläget dyrt att tillverka, eftersom det kräver speciell utrustning för kritisk punkttorkning (CPD) för att långsamt avlägsna lösningsmedel från den ömtåliga porösa strukturen utan att skada den. Den viktigaste egenskapen som måste kontrolleras för att ge de önskade egenskaperna är storleken på porerna i aerogelen, som tillverkas genom att blanda polyetenmaterialet med lösningsmedel, låta det stelna som en skål med Jell-O, och sedan få lösningsmedel ur det. Forskargruppen undersöker för närvarande sätt att antingen göra denna torkprocess billigare, till exempel genom att använda frystorkning, eller hitta alternativa material som kan ge samma isolerande funktion till lägre kostnad, till exempel membran åtskilda av en luftspalt.

Medan de andra materialen som används i systemet är lättillgängliga och relativt billiga, säger Lu, "aerogelen är det enda materialet som är en produkt från labbet som kräver vidareutveckling när det gäller massproduktion." Och det är omöjligt att förutsäga hur lång tid den utvecklingen kan ta innan det här systemet kan göras praktiskt för utbredd användning, säger han.

I forskargruppen ingick Lenan Zhang från MIT:s avdelning för maskinteknik och Jatin Patil från avdelningen för materialvetenskap och teknik. + Utforska vidare

Ett värmehanteringsmaterial som reagerar på värme eller kyla genom att vikas eller vecklas ut utan behov av en strömkälla