Trottoarer är en riklig stadsyta, täcker cirka 40 procent av amerikanska städer. Men förutom att transportera trafik, de kan också avge värme.

På grund av vad som kallas den urbana värmeö-effekten, tätt byggd, ogenomträngliga ytor som trottoarer kan absorbera solstrålning och värma upp sin omgivning genom att återutsända den strålningen som värme. Detta fenomen utgör ett allvarligt hot mot städer. Det ökar lufttemperaturerna med upp till 7 grader Fahrenheit och bidrar till hälso- och miljörisker – risker för att klimatförändringarna kommer att förstora.

Som svar, forskare vid MIT Concrete Sustainability Hub (MIT CSHub) studerar hur en yta som vanligtvis förhöjer urbana värmeöar istället kan minska deras intensitet. Deras forskning fokuserar på "coola trottoarer, " som reflekterar mer solstrålning och avger mindre värme än konventionella beläggningsytor.

En nyligen genomförd studie av ett team av nuvarande och tidigare MIT CSHub-forskare i tidskriften of Miljövetenskap och teknik beskriver coola trottoarer och deras genomförande. Studien fann att de kunde sänka lufttemperaturerna i Boston och Phoenix med upp till 1,7 grader Celsius (3 grader F) och 2,1 grader C (3,7 grader F), respektive. De skulle också minska utsläppen av växthusgaser, minska de totala utsläppen med upp till 3 procent i Boston och 6 procent i Phoenix. För att uppnå dessa besparingar, dock, kräver att kyla beläggningsstrategier väljs efter klimatet, trafik, och byggnadskonfigurationer för varje stadsdel.

Städer som Los Angeles och Phoenix har redan genomfört betydande experiment med coola trottoarer, men tekniken är fortfarande inte allmänt implementerad. CSHub-teamet hoppas att deras forskning kan vägleda framtida coola beläggningsprojekt för att hjälpa städer att hantera ett förändrat klimat.

Repar ytan

Det är välkänt att mörkare ytor blir varmare i solljus än ljusare. Klimatforskare använder ett mått som kallas "albedo" för att beskriva detta fenomen.

"Albedo är ett mått på ytreflektivitet, " förklarar Hessam AzariJafari, tidningens huvudförfattare och en postdoc vid MIT CSHub. "Ytor med låg albedo absorberar mer ljus och tenderar att vara mörkare, medan ytor med hög albedo är ljusare och reflekterar mer ljus."

Albedo är centralt för svala trottoarer. Typiska beläggningsytor, som vanlig asfalt, har en låg albedo och absorberar mer strålning och avger mer värme. Coola trottoarer, dock, har ljusare material som reflekterar mer än tre gånger så mycket strålning och, följaktligen, återavger mycket mindre värme.

"Vi kan bygga coola trottoarer på många olika sätt, " säger Randolph Kirchain, en forskare vid Materials Science Laboratory och meddirektör för Concrete Sustainability Hub. "Ljusare material som betong och ljusare ballast ger högre albedo, medan befintliga asfaltbeläggningar kan göras "svala" genom reflekterande beläggningar."

CSHub-forskare övervägde dessa flera alternativ i en studie av Boston och Phoenix. Deras analys övervägde olika resultat när de var konkreta, reflekterande asfalt, och reflekterande betong ersatte konventionella asfaltbeläggningar – som utgör mer än 95 procent av beläggningarna världen över.

Situationsmedvetenhet

För en omfattande förståelse av miljöfördelarna med svala trottoarer i Boston och Phoenix, forskare var tvungna att se bortom bara beläggningsmaterial. Det beror på att förutom att sänka lufttemperaturerna, svala trottoarer utövar direkta och indirekta effekter på klimatförändringarna.

"Den enda direkta effekten är strålningskraft, " noterar AzariJafari. "Genom att reflektera strålning tillbaka in i atmosfären, svala trottoarer utövar en strålande kraft, vilket betyder att de förändrar jordens energibalans genom att skicka ut mer energi ur atmosfären - liknande de polära istapparna."

Coola trottoarer utövar också komplexa, indirekta klimatförändringar påverkar genom att förändra energianvändningen i intilliggande byggnader.

"Å ena sidan, genom att sänka temperaturen, svala trottoarer kan minska ett visst behov av AC [luftkonditionering] på sommaren samtidigt som värmebehovet ökar på vintern, " säger AzariJafari. "Omvänt, genom att reflektera ljus – kallad infallande strålning – på närliggande byggnader, svala trottoarer kan värma strukturer, vilket kan öka AC-användningen på sommaren och lägre värmebehov på vintern."

Vad mer, albedoeffekter är bara en del av de totala livscykeleffekterna av en sval trottoar. Faktiskt, påverkan från konstruktion och materialutvinning (tillsammans kallade förkroppsligade effekter) och användningen av beläggningen dominerar båda livscykeln. Den primära användningsfasens påverkan av en trottoar – förutom albedoeffekter – är överdriven bränsleförbrukning:Trottoarer med släta ytor och styva strukturer orsakar mindre överbränsleförbrukning i fordonen som kör på dem.

Att bedöma klimatförändringarnas effekter av svala trottoarer, sedan, är en komplicerad process - en som involverar många avvägningar. I deras studie, forskarna försökte analysera och mäta dem.

En full reflektion

För att bestämma den ideala implementeringen av coola trottoarer i Boston och Phoenix, forskare undersökte livscykeleffekterna av att byta från konventionella asfaltbeläggningar till tre coola beläggningsalternativ:reflekterande asfalt, betong, och reflekterande betong.

Att göra detta, de använde kopplade fysiska simuleringar för att modellera byggnader i tusentals hypotetiska kvarter. Med hjälp av denna data, de tränade sedan en neural nätverksmodell för att förutsäga effekter baserat på byggnads- och grannskapsegenskaper. Med detta verktyg på plats, det var möjligt att uppskatta effekten av svala trottoarer för var och en av de tusentals vägarna och hundratusentals byggnaderna i Boston och Phoenix.

Förutom albedoeffekter, de tittade också på de förkroppsligade effekterna för alla beläggningstyper och effekten av beläggningstyp på fordonets överdrivna bränsleförbrukning på grund av ytkvaliteter, styvhet, och försämringstakt.

Efter att ha bedömt livscykeleffekterna av varje sval beläggningstyp, forskarna beräknade vilket material - konventionell asfalt, reflekterande asfalt, betong, och reflekterande betong – gynnade varje stadsdel mest. De fann att även om svala trottoarer var fördelaktiga i Boston och Phoenix överlag, de idealiska materialen varierade mycket inom och mellan båda städerna.

"En fördel som var universell för kvarterstyp och beläggningsmaterial, var effekten av strålningskraft, " noterar AzariJafari. "Detta var särskilt fallet i områden med kortare, mindre täta byggnader, där effekten var mest uttalad."

Till skillnad från strålningskraft, dock, förändringar i byggnadens energibehov skilde sig åt beroende på plats. I Boston, svala trottoarer minskade energibehovet lika ofta som de ökade det i alla stadsdelar. I Phoenix, svala trottoarer hade en negativ inverkan på energibehovet i de flesta folkräkningsområden på grund av infallande strålning. När man räknar in strålningskraft, fastän, coola trottoarer hade i slutändan en nettofördel.

Först efter att ha övervägt förkroppsligade utsläpp och effekter på bränsleförbrukningen visade sig den ideala beläggningstypen för varje stadsdel. När man väl har tagit hänsyn till osäkerhet över livscykeln, forskare fann att reflekterande betongbeläggningar hade de bästa resultaten, visar sig vara optimal i 53 procent och 73 procent av stadsdelarna i Boston och Phoenix, respektive.

Ännu en gång, osäkerheter och variationer identifierades. I Boston, att ersätta konventionella asfaltbeläggningar med ett coolt alternativ var alltid att föredra, medan betongbeläggningar i Phoenix - reflekterande eller inte - hade bättre resultat på grund av styvhet vid höga temperaturer som minimerade fordonets bränsleförbrukning. Och trots betongens dominans i Phoenix, i 17 procent av dess stadsdelar visade sig alla reflekterande beläggningsalternativ vara mer eller mindre lika effektiva, medan det i 1 procent av fallen konventionella trottoarer var faktiskt överlägsna.

"Även om klimatförändringarnas effekter vi studerade har visat sig vara många och ofta i strid med varandra, våra slutsatser är entydiga:svala trottoarer kan erbjuda enorma fördelar för att mildra klimatförändringarna för båda städerna, säger Kirchain.

Förbättringarna av lufttemperaturerna skulle vara märkbara:teamet fann att svala trottoarer skulle sänka toppsommarlufttemperaturerna i Boston med 1,7 grader C (3 grader F) och i Phoenix med 2,1 grader C (3,7 grader F). Minskningen av koldioxidutsläppen skulle likaså vara imponerande. Boston skulle minska sina koldioxidutsläpp med så mycket som 3 procent under 50 år medan minskningarna i Phoenix skulle nå 6 procent under samma period.

Denna analys är en av de mest omfattande studierna av svala trottoarer hittills - men det finns mer att undersöka. Precis som med trottoarer, det är också möjligt att justera byggnadsalbedo, vilket kan leda till förändringar i byggnaders energibehov. Intensiv avkolning av nät och införandet av lågkolhaltiga betongblandningar kan också förändra de utsläpp som genereras av svala beläggningar.

Det finns fortfarande massor av mark att täcka för CSHub-teamet. Men genom att studera coola trottoarer, de har lyft fram en briljant lösning för klimatförändringar och öppnat vägar för ytterligare forskning och framtida begränsning.