Janue emitter (JET) för kylning av slutna utrymmen. (A) Schematisk JET applicerad på en stationär bil i direkt solljus, där värme fångas av växthuseffekten. Janus termisk strålningsegenskap tillåter bredbandsabsorption av IR-vågor från höljet och selektiv emission till det ultrakalla utrymmet. Infällt fotografi:Tillverkad JET som uppvisar stark reflektion i det synliga området. Fotokredit:Yeong Jae Kim, GIST. (B) Förstorad strukturell vy. Från topp till botten:4-μm PDMS, silver, mikromönstrad kvarts, och 10 μm PDMS. (C) Emissionsspektra för den ideala JET med bredbandsemission (BE) på botten och selektiv emission (SE) på toppen. BB, svartkroppsstrålning. (D) Schematisk tvärsnittsvy av JET. (E) Överst:Polymerstruktur och extinktionskoefficient för PDMS. Simulerade FIR-emissionsspektra för JET för SE (mitten) och BE (botten) i 0- till 16-μm våglängdsregionen. (F) Absorptionsprofiler för tunn PDMS (överst) och JET (botten) vid 10,75 μm våglängd, där den största utsläppsförlusten sker i tunna PDMS. (G och H) Beräknade kyleffekter (Pcool) och kyltemperaturer (Tcool) under AM1.5G solstrålning för (G) PDMS tunnfilm kontra SE på dagtid och (H) SE mot BE på dagtid (streckade linjer) och nattetid ( heldragna linjer). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1906
Det är för närvarande utmanande att effektivt kyla slutna utrymmen som stationära bilar som fångar värme via växthuseffekten. I en ny rapport i Vetenskapens framsteg , Se-Yeon Heo och ett team av forskare inom materialvetenskap, teknik och nanoarkitektonik i Japan och Republiken Korea, presenterade en Janus emitter (JET) för ytkylning. De använde ett silver (Ag)-polydimetylsiloxan (PDMS) skikt på ett mikromönstrat kvartssubstrat och materialet tillät dem att kyla utrymmet även när JET var fäst i en inneslutning. Som ett resultat, JET (Janus emitter) skulle passivt kunna mildra växthuseffekten i kapslingar och erbjuda ytkylningsprestanda jämförbar med konventionella radiativa kylare.
Kylteknik
Dagens kylteknik är beroende av ångkompression och vätskekylda system, men de förbrukar ungefär 10 procent av den globala energin, samtidigt som utarmningen av fossila bränslen påskyndas. Mellan 1990 och 2018, mängden koldioxid (CO 2 ) utsläppen från rymdkylning har mer än tredubblats för att nå 1130 miljoner ton, tillsammans med eskalerande problem med ozonnedbrytning och luftföroreningar. Jorden kan kyla sig själv via strålningskylning en passiv värmehanteringsstrategi för att avge oönskad värme till yttre rymden utan energiförbrukning, och passiva strålningskylare har visat sub-ambient kylning när de är fästa på yttre material som taket eller till och med mänsklig hud för att dra värme genom konvektion eller ledning på dagtid. Dock, sådana strategier kan vara ineffektiva under extrem värmeackumulering i stillastående fordon, där extremt höga temperaturer kan utvecklas under växthuseffekten på grund av genomskinliga fönster som tillåter solstrålning att komma in, samtidigt som den är ogenomskinlig för den utgående långvågiga värmestrålningen. I det här arbetet, Heo et al. föreslog en Janus termisk sändare att fungera som en selektiv sändare (SE) på toppen och som en bredbandssändare (BE) på botten. Designen hämtade effektivt värme från det inre utrymmet och ytan, medan toppen avgav värme till rymden utan att störa den omgivande strålningen.
Teoretiska analyser, optimering, och karakterisering av JET. (A) Dispersionskurva för sSPP för superstrate med brytningsindex för PDMS. Gula och grå skuggade områden:Exciterbart band och förbjudet band av sSPP bestäms av luft- och PDMS-ljuslinjer, respektive. Orange och blåaktigt skuggade områden:sSPP-fönster från (1, 0)/(0, 1) och (1, 1) lägen, respektive. (B och C) Emissivitetsspektra som en funktion av (B) tjockleken av ett icke-absorberande superstrate och (C) extinktionskoefficient för superstrate. Dessa resultat visar att emissionsförbättringar beroende på superstratens tjocklek och extinktionskoefficient endast förekommer i sSPP-fönster, särskilt sSPP-fönstret från (1, 0)/(0, 1) lägen. (D) Emissivitetsspektra för tunnfilm PDMS (himmelblå streckad linje) och JET utan och med SiO2-substrat (röda och blå linjer, respektive). Orange lådor:Områden med förbättrad emissivitet av sSPP-fönster. Vita rutor:Regioner med inneboende stark emissivitet av PDMS på grund av hög extinktionskoefficient. Grönaktig ruta:SiO2-substrat förstärker emissivitetssänkningen som avslöjas av sSPP-fönstret och regionen med stark emissivitet. (E och F) Optimering av arbetscykel och djup. (G) Beräknad vinkelrespons för JET, visar bibehållen selektiv emissionsfunktion upp till infallsvinkeln på 80°. (H till J) SEM-bilder av optimerad JET (H och I) utan Ag- eller PDMS-beläggning och (J) med Ag- och PDMS-beläggning. (K och L) Uppmätta och simulerade emissivitetsspektra för (K) SE och (L) BE för tillverkad JET. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1906 
Forskarna designade först en polymerbaserad selektiv emitter (SE) som innehåller spoof ytplasmonpolariton (sSPP) för att uppnå nästan idealisk selektivitet. Sedan visade de teoretiskt och experimentellt Janus-sändarens (JET) kylprestanda på båda sidor, ungefär som toppmoderna radiativa kylare. JET fungerade som en effektiv värmekanal för att absorbera bredbandsvärmestrålning från insidan och botten, medan du använder ovansidan för att utstråla värme som infraröda (IR) vågor till yttre rymden, ungefär som ett kallt handfat. Provet innehöll ett polydimetylsiloxan (PDMS) skikt, ett 100 nm tjockt silverskikt och ett mikromönstrat kvartsskikt belagt med 10 µm tjockt PDMS på botten. JET minimerar störningarna från solenergi och omgivande strålning, där undersidan brett adsorberade inre värmestrålning. Teamet beräknade kyleffekter och kyltemperaturer för den selektiva sändaren (SE) och bredbandssändaren (BE) under studien.
Heo et al. analyserade effekterna av spoof yta plasmon polariton (sSPP) resonanser på JET emissivitet och simuleringen visade starka resonansabsorptionstoppar exciterade mellan de två sSPP lägena, på grund av Fabry–Pérot-hålighetsresonansen i installationen. JET:en visade vinkelrobust emissivitet nära atmosfärsfönstret. Med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) bilder observerade de den mikromönstrade kvartsen med eller utan PDMS-beläggning. De uppmätta och simulerade emissivitetsspektra indikerade nästan idealiska egenskaper i både selektiva sändare (SE) och bredbandssändare (BE) i det tillverkade JET-systemet.
Ytkylningsprestanda för två sändare i JET. (A) (Överst) Schematisk illustration och (nederst) fotografi av den strålande kylaren i testkonfiguration på taket. Omgivande luftlåda, som förhindrar självuppvärmning av luftsensorn, visas i fig. S5 (A och B) i detalj. Fotokredit:Gil Ju Lee, GIST. (B) (Överst) Genomsnittlig solintensitet och genomsnittlig kyltemperatur (ΔT) för SE och BE under klara och disiga dagar. Alla data visar att SE har bättre prestanda för kylning i undermiljön. (Längst ned) Detaljerad loggad temperatur uppmätt av resultatet för dag 2. (C) Beräknade effektkomponenter i den termiska jämviktsekvationen (Prad, PSun, Pnon-rad, och Patm) över tid, använda data i (B). Den streckade linjen indikerar BE, och heldragen linje är SE. (D till F) Trettiotimmars kontinuerliga mätningar för (D) solintensitet och temperaturer för SE, VARA, och omgivande luft; (E) relativ fuktighet (RH) och daggpunkt; och (F) kyleffekten (PCool) för SE och BE. Värmeeffekten genereras av strömförsörjningsutgången när provets temperatur matchar omgivande luft. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1906 
För att undersöka kyleffekten och kyltemperaturen för både selektiva sändare och bredbandssändare (SE och BE) i enheten, forskarna fick tillgång till ett utomhustak på Gwangju Institute of Science (GIST). Teamet förhindrade självuppvärmning av den omgivande luftsensorn genom att använda en omgivande luftlåda för att skugga solspektrumet och gav ett kontinuerligt luftflöde till installationen. De testade temperatursensorerna för tillförlitlighet och använde inte en konvektionssköld på grund av ofullständig transmittans. Resultaten visade nedkylning under olika väderförhållanden, där dis och fukt hämmade värmeöverföringen till atmosfären. Heo et al. klassificerade jämviktsenergibalansekvationen i fyra effekttermer, inklusive (1) effekt som avges av provet, (2) energi som absorberas av atmosfäriska utsläpp, (3) absorberad effekt från solbestrålning och (4) värmeöverföring utan strålning, som innefattade ledning och konvektion. SE var mer effektiv under kylning under omgivningen jämfört med BE. Teamet mätte kyleffekten tillsammans med klimatförhållandena under experimenten.
Värmeavgivning av JET i stillastående fordon. Schematisk jämförelse av konventionell radiativ kylare och vår Janus-sändare för ett stillastående fordon. Det stillastående fordonet samlar på sig solenergi och blir extremt uppvärmt. (A) Den konventionella kylaren försämrar uppvärmningen genom att reflektera den inre strålningen och orsaka växthuseffekten. (B) Janus-kylaren kyler bilen genom att i stort sett absorbera den inre fångade värmen och selektivt avge den till det yttre rymden. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1906
Kylningsförmåga hos JET i ett slutet utrymme
Även om värmeöverföring huvudsakligen sker via konvektion i öppna ytor, mekanismen kan skilja sig åt i ett slutet utrymme med en värmekälla. Till exempel, en bil parkerad under solen kan värmas från 60 grader upp till 80 grader Celsius, även om den omgivande temperaturen bara är 21 grader Celsius, orsakar hypertermi hos åkande barn. Under Janus termisk strålning, JET (Janus-sändare) kan fungera som en värmekanal för att dra värme från kapslingen och väsentligt förändra temperaturfördelningen i det inre området. JET är mycket effektiv när det gäller att sänka temperaturen från det avskärmade området via bredbandsabsorption och tillåter selektiv termisk emission genom det atmosfäriska fönstret.
Teamet utvecklade en experimentell modell med aluminiummetall och svart läder för att efterlikna ett stationärt fordons interiör och golv, parkerad under solen. De utförde experimentet på ett tak och noterade JETs exceptionella kylningsprestanda i det slutna utrymmet upprepade gånger under fyra olika dagar under olika väderförhållanden. Baserat på resultaten, teamet föreslog att ersätta materialet som används här med andra polymerer för en mängd optimerade fördelar, inklusive en förbättrad total kylkapacitet genom att minimera solenergi och öka termisk strålning. Ytegenskaperna hos JET gav också vattentätande och självrengörande effekter.
Demonstration av kapslingskylning med JET-läget Janus. (A) Mätinställningar med en inre värmare. Fotokredit:Gil Ju Lee, GIST. (B) Uppmätt temperatur i stationärt tillstånd med C-RC, Rev JET, och JET. Den tillförda spänningen och strömmen till värmaren var fixerade till 7,5 V och 0,105 A, respektive, i 5 min. De genomsnittliga omgivningstemperaturerna var 11,6°, 11,3°, och 11,0°C under mätningarna av C-RC, Rev JET, och JET, respektive. Fotokredit:Gil Ju Lee, GIST. (C) Simulerade värmartemperaturer med hänsyn till värmeväxling med omgivande luft för de tre strålningskylarna. hc =0 W/m2 per K avser ingen värmeväxling mellan skåpet och omgivande luft. Simuleringsvillkoren är som följer:värmeflöde =4 W, Tamb =25°C, och atmosfärisk fönsteremissivitet i 8- till 13-μm våglängd =30 %. (D) Simulerad värmartemperatur beroende på atmosfärsfönsteremissionsförmågan i 8- till 13-μm våglängd för strålningskylarna. Lägre emissivitet indikerar ett mer transparent atmosfäriskt fönster. Simuleringsparametrarna är som följer:värmeflöde =4 W, Tamb =25°C, och hc =4 W/m2 per K. De detaljerade emissionsspektra för kylare och atmosfäriskt fönster visas i fig. S6C. (E) Schematisk uppställning med uppvärmning av extern solstrålning i form av en bil. Hålet på toppen av Al-huset täcks av provet, medan framsidan är täckt av ett soltransparent och IR-reflekterande fönster. (F) Temperaturer för det strålande föremålet för olika grupper av täckmaterial:C-RC (svart), Rev. JET (röd), och JET (blå). (G) Mätningar för 4 dagar med olika väderförhållanden av klart och dis. Väderförhållandena uppskattas i termer av solenergi (gul), RH (grön), och omgivande lufttemperatur (grå). Svart, röd, och blå markerar temperaturen på tre kylare. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb1906
På det här sättet, Se-Yeon Heo och kollegor visade hur Janus-sändare gav en passiv strategi för selektiv emission till yttre rymden, tillsammans med bredbandsabsorption på den motsatta sidan av kapslingen. För att åstadkomma detta, de utvecklade en nästan idealisk selektiv emitter (SE) med spoof-ytplasmonpolariton (sSPP) i en PDMS-polymer klädd på en silverbelagd mikromönstrad kvartsram för experimenten. De undersökte JETs förmåga att kyla höljen, där den drog bort värme jämfört med andra material. Genom att använda de dubbelriktade emissionsegenskaperna för Janus-sändare, teamet sänkte temperaturen på ett strålningsobjekt i en inneslutning som simulerade en stationär bilmiljö. Den överlägsna förmågan att passivt kyla både övre och undre ytor samt slutna utrymmen kan möjliggöra utvecklingen av avancerade konstruktioner för att minimera växthuseffekten i slutna utrymmen som stationära bilar.
© 2020 Science X Network
