Et materiale, der kaster varme ud i rummet, kunne snart genopfinde klimaanlæg

James Temple

Eli Goldstein, en frisk medstifter af SkyCool Systems, åbnede garagedøren på siden af ​​Stanford spinout's trange arbejdsplads i Burlingame, Californien, og rullede et sæt firkantede sølvpaneler ind på parkeringspladsen.

De var vippet mod solen, dækket af, hvad der lignede perfekt folderfri aluminiumsfolie og fastgjort til en metalramme, der rummede en række rør, rør og termometre.

Temperaturerne nåede 104 ˚F på San Francisco-halvøen den dag, starten på en sjælden og brændende hedebølge i Bay Area. At træde ind foran panelerne føltes som at gå forbi en åben ovn.

Hvilket netop er pointen. SkyCools paneler er i det væsentlige højteknologiske spejle, designet til at køle bygninger langt mere effektivt end traditionelle klimaanlæg ved at udnytte en mærkelig særpræg af optik, der tillader et smalt bånd af stråling at undslippe ud i rummet (se The Sky May Hold the Secret to Efficient Aircondition). Afhængigt af anvendelsen og klimaforholdene kan teknologien reducere den energi, der bruges til at afkøle strukturer, med 10 til 70 procent, hvilket reducerer et af de største enkeltkrav til det amerikanske net og reducerer drivhusgasemissionerne tilsvarende.

At forstå, hvordan det fungerer, kræver lidt baggrund. Alle objekter afgiver varme i form af infrarød stråling, en usynlig form for lys lige til højre for rødt på spektret. Pointen med jakker, vanter og tørklæder er at bevare så meget af den strålevarme som muligt og holde os varme på vinterdage. Selve atmosfæren, hovedsageligt i form af vandmolekyler, udstråler også en del af varmen.

Men en splint af emissioner i det mellem-infrarøde område (med bølgelængder mellem otte og 13 mikrometer, for dem, der holder score) slipper igennem, og slipper gennem det, der er blevet beskrevet som en vindue ud i rummet . Materialer, der udsender stråling i dette område, kaster den bogstaveligt talt ind i rummets kolde vidder eller i det mindste den kølige øvre atmosfære, hvilket tillader selve overfladerne at dykke under temperaturen af ​​den omgivende luft. Dette naturlige fænomen er det, der får frost til at danne sig på overflader under den åbne nattehimmel, som bilruder og græsstrå, selv når temperaturen ikke når frysepunktet.

En kritisk udfordring for at udnytte denne mekanisme på nyttige måder har været, at i løbet af dagen opvejer varmen fra solen generelt enhver kølende effekt. Men i forskning først offentliggjort i Natur i slutningen af ​​2014 kom forskerne bag SkyCool Systems uden om det problem ved at udvikle et avanceret materiale, der er indstillet til at udstråle infrarødt lys i det område, der glider gennem atmosfæren, mens det også reflekterer 97 procent af sollys. Placeret på et tag under direkte sollys forblev materialet 4,9 ˚C under den omgivende lufttemperatur, en køleeffekt på 40,1 watt per kvadratmeter.

Tre af de forskere, der var involveret i dette arbejde, var medstiftet SkyCool systemer sidste forår i et forsøg på at kommercialisere teknologien. Goldstein er startup'ets teknologichef; Aaswath Raman, hovedforfatter af det originale papir og en af MIT Technology Review 's 35 Innovators Under 35 i 2015, fungerer som administrerende direktør; og Shanhui fan , en Stanford professor i elektroteknik, fungerer som rådgiver.

SkyCools passive radiative kølepaneler bliver evalueret i et feltforsøg i Davis, Californien.

I sidste uge offentliggjorde forskerne en opfølgning papir i Naturenergi , der viser, at en opskaleret version af teknologien kan bruges til at køle strømmende vand. Ved at opsætte paneler med tynde vandrør, der løber direkte under dem, sænkede forskerne vandtemperaturen med 5 ˚C i løbet af tre dages test. Resultatet tyder på, at teknologien kan inkorporeres i eksisterende kølemekanismer ved at erstatte eller forstærke kondensatorkomponenten, der bruges i konventionel klimaanlæg og køling. Gennem modellering viste forskerne, at integration af teknologien i en to-etagers kontorbygning i Las Vegas ville reducere elektricitetsbehovet til køling med 21 procent i løbet af sommeren.

Evnen til at eftermontere systemet i eksisterende bygninger, hvilket reducerer omkostningerne for ejere og lejere, betyder, at det potentielle marked er stort. Omkring 14 procent af den samlede amerikansk energiproduktion går til afkøling af bolig- og erhvervsbygninger. Energiministeriets moonshot ARPA-E-program, som ydet 3 mio til SkyCool-forskerne i 2012, fandt, at avancerede radiative kølepaneler kunne skære 10 til 20 procent af denne brug og reducere spidsbelastningskravene på elnettet.

Men langt større energibesparelser kan være mulige for udviklere, der vælger at inkorporere radiative kølesystemer direkte i nye bygninger under designfasen, siger Nick Fernandez, en energianalytiker ved Pacific Northwest National Laboratory. Hvis systemet blev koblet sammen med et hydronisk strålekølesystem - en sjælden, men yderst effektiv måde at køle bygninger på, der fungerer ved at cirkulere vand i stedet for at blæse luft - kunne energibesparelserne til opvarmning, køling og ventilation nå op på næsten 70 procent under ideelle klimaforhold , ifølge en simuleringsanalyse udgivet i 2015 , hvor Fernandez var hovedforfatter.

SkyCool er ikke den eneste virksomhed, der går efter dette marked. I februar offentliggjorde et team af ingeniører ved University of Colorado, Boulder en papir i Videnskab beskriver et glas-polymer-hybridmateriale, der opnåede en stråleeffekt på 93 (watt pr. kvadratmeter) ved middagstid under direkte solskin. Forskerne understregede, at de allerede har fundet ud af, hvordan man billigt kan fremstille ruller af det filmlignende materiale, hvilket gør det til en potentielt levedygtig storskalateknologi til både bolig- og kommercielle applikationer, ifølge til en universitetsudgivelse.

Ligesom Stanford-holdet rejste CU Boulder-forskerne penge fra ARPA-E, ansøgte om et patent og dannede et firma, Radi-Cool. Forskerne er i samtaler med potentielle investorer og producenter, siger Ronggui Yang, professor i maskinteknik, som er medforfatter til papiret og fungerende administrerende direktør for opstarten.

SkyCools forskere, som har sikret en begrænset mængde yderligere føderal og privat finansiering, fortsætter med at forbedre effektiviteten af ​​de avancerede materialer. Raman, startup's administrerende direktør, afviser at diskutere eventuelle produktpriser, men han mener, at eventuelle forhåndsomkostninger vil blive opvejet af langsigtede energibesparelser. Hvis en tagradiator af den type SkyCool udvikler kunne produceres og installeres for mindre end 58 cents per kvadratfod, ville energibesparelserne dække disse omkostninger om cirka fem år, estimerede Pacific Northwest Lab-undersøgelsen.

Virksomheden udfører et feltforsøg med sin seneste generation af paneler i Davis, Californien, omkring to timer væk fra Burlingame i Central Valley, og evaluerer teknologien som en måde at forbedre både klimaanlæg og kommercielle kølesystemer.

SkyCools næste store milepæl vil være en storstilet demonstration med en tidlig kunde eller partner, som Raman og Goldstein håber at begynde næste år. De retter sig mod virksomheder med store kølebehov, såsom supermarkeder og datacentre, hvor eventuelle energibesparelser hurtigt stiger. Samtaler med potentielle kunder er allerede begyndt.

skjule