Forskare från ICN2 och ICMM-CSIC har utvecklat ett nytt material som kan kyla ett annat genom att sända ut infraröd strålning. Resultaten publiceras i Små och förväntas användas i enheter där en temperaturökning har drastiska effekter på prestanda, som solpaneler och datorsystem, bland andra applikationer.

Kylning är en central fråga i dagens samhällen:vare sig det är i en stormarknad eller på din dator, regleringen av temperaturen är nödvändig för att människor ska känna sig bekväma eller att bara maskiner fungerar tillförlitligt. Kylsystem står för 15 % av den globala energiförbrukningen och står för 10 % av växthusgasutsläppen. Man kan säga att botemedlet är värre än sjukdomen, när växthusgaser skapar global uppvärmning, vilket kräver ännu mer kylning.

En väg ut ur denna loop har forskare från Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) hittat i samarbete med forskare från Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC). Medlemmar av ICN2 Phononic and Photonic Nanostructures Group, leds av ICREA Prof. Dr. Clivia M. Sotomayor Torres, och ICMM Photonic Crystals Group har rapporterat ett nytt tvådimensionellt material som kan ta bort värme, kyla ner ytan där den är placerad utan energiförbrukning eller gasutsläpp av något slag. Verket har publicerats i Små , med Dr Juliana Jaramillo-Fernández, som är Marie Slodowska-Curie COFUND postdoktor vid ICN2, som dess första författare.

Materialet är inspirerat av jordens effektiva temperaturregleringsmekanism, kallas strålande himmelskylning. Även om jorden värms upp av solen, den sänder också ut infraröd strålning till yttre rymden, eftersom denna typ av strålning inte fångas upp av atmosfären. Sandkornen i öknar är bland de största bidragsgivarna till detta fenomen, som håller medeltemperaturen på vår planet stabil så länge vi inte tar hänsyn till mänskliga aktiviteter.

Det föreslagna materialet drar fördel av samma princip. Forskarna har visat att den kan kyla ner en kiselskiva under direkt solljusstrålning med 14 ºC, medan ett vanligt soda-limeglas bara sänker det med 5 ºC. Materialet bildas av en självmonterad array av 8 µm-diameter kiseldioxidsfärer, som sandkorn en miljon gånger mindre i volym. Detta lager beter sig nästan som en idealisk infraröd sändare, ger en radiativ kyleffekt på upp till 350 W/m ² för en het yta, som en solpanel.

För att sätta detta i sitt sammanhang, detta skulle ta bort hälften av värmen som samlats i en typisk solpanel på en vanlig klar dag, vilket räcker för att öka den relativa verkningsgraden för en solcell med 8%. Med tanke på den globala solenergiproduktionen 2017, En sådan effektivitetsökning representerar tillräckligt med energi för att driva staden Paris under ett helt år.

Forskarna har avslöjat den strålande himlens kylningspotential hos självmonterade kristaller, visar att endast ett enda lager av mikrosfärer är nödvändigt för att uppnå bästa kylningsprestanda, vilket är av stort intresse för framtida uppskalning och tillämpbarhet. Detta står i skarp kontrast till dagens toppmoderna material för radiativ kylning, eftersom den är sex gånger tunnare än de befintliga glaspolymerfilmerna och den undviker användningen av plast.

Den potentiella effekten av denna typ av teknik har inte gått obemärkt förbi. Dr Juliana Jaramillo, Dr Achille Francone och Dr Nikolaos Kehagias, från den tidigare nämnda ICN2-gruppen, har också utvecklat ett annat material som är lätt uppskalbart och som kan ge både strålningskylning och självrengörande. The Collider, ett teknologiöverföringsprogram främjat av Mobile World Capital Barcelona som kopplar samman vetenskaplig forskning med entreprenörsinitiativ, har tilldelat detta projekt The Collider Tech Award 2019, ett pris som uppmuntrar vidareutveckling av denna forskningslinje om strålande kylmaterial. Ett europeiskt patent som skyddar denna tekniks immateriella rättigheter lämnades in den 31 juli 2019 av ICN2 och ICREA.

Förutom användning på solpaneler, andra tänkbara tillämpningar inkluderar kylning av termoelektriska moduler — enheter som omvandlar temperaturskillnader till elektrisk ström—, kyla datorsystem i datacenter eller till och med smarta fönster som skulle fräscha upp sig själva och sin omgivning, sparar luftkonditioneringskostnader.