Hvordan næste generations tekstiler holder dig kølig i sommervarmen

Aircondition bruger svimlende 5 procent af al den elektricitet, der produceres i USA. Det er en enorm mængde ressourcer, der bogstaveligt talt går op i varm luft hvert år. Så selv små fremskridt, der hjælper folk med at holde sig kolde, kan have en vigtig effekt.

I dag afslører Jonathan Tong og venner på MIT deres tilgang til problemet – design stoffer, der tillader varme at stråle væk fra kroppen mere effektivt.

Ikke alene er det meste tøj uigennemsigtigt for synligt lys, det er også uigennemsigtigt for infrarødt. Dette fanger infrarød stråling, hvilket får kroppen til at varme op. Det er praktisk, når det er koldt, men ikke så godt, når det er varmt.

Så Tong og co har fundet en løsning. Design et materiale, der er uigennemsigtigt for synligt lys, men gennemsigtigt i det infrarøde.

Deres tilgang er ligetil. Tong og co siger, at den menneskelige krop primært udsender varme i det mellem- og fjerninfrarøde område, så deres stof bør være designet til at være gennemsigtigt i de dele af spektret.

For at få en fornemmelse af udfordringen har de målt transmissionsegenskaberne for almindelige beklædningsmaterialer som bomuld og polyesterstoffer, der tilsammen står for næsten 80 procent af al tekstilfiberproduktion. Disse materialer transmitterer kun omkring 1 procent af det infrarøde lys, der rammer dem.

Derimod transmitterer bomuld og polyester mellem 30 og 40 procent af synligt lys, så de er mere gennemsigtige i det visuelle område, end de er i det infrarøde. Holdet siger, at disse materialer virker uigennemsigtige, fordi de reflekterer mere lys, end de transmitterer, og det menneskelige øje er kun følsomt nok til at opfange det reflekterede lys. (Ja, det er normalt nemt at se gennem disse materialer, hvis du holder dem op til øjnene.)

Der er to grunde til, at bomuld og polyester er så uigennemsigtige i det infrarøde. Den første er, at molekylerne bøjer og roterer ved mange infrarøde frekvenser og så stærkt absorberer lys ved disse frekvenser. Og fordi ethvert stof er mange tusinde molekyler tykt, ender næsten alt infrarødt lys med at blive absorberet.

For det andet har fibrene i sig selv omtrent samme størrelse som bølgelængden af ​​infrarødt lys og spreder det effektivt. Dette får materialerne til at reflektere infrarødt lys kraftigt. Det er derfor, disse materialer ofte fremstår hvide på infrarøde billeder.

Det sætter to udfordringer op for Tong og co. Deres nye materialer skal være væsentligt mindre absorberende af infrarødt lys, og de skal være lavet af fibre, der ikke spreder det så kraftigt.

To kunstige materialer dukker straks op. Den første er polyethylen, som er lavet af gentagne ethylenmonomerer, der kædes sammen for at danne molekyler af forskellig længde. Dette har meget få vibrations- og rotationstilstande ved infrarøde frekvenser og er derfor meget mindre absorberende.

Den anden er nylon, som har en lignende molekylær struktur som polyethylen med tilføjelse af en amidkemisk gruppe. Denne ekstra gruppe gør nylon mere absorberende i det infrarøde, men ikke nær så absorberende som bomuld eller polyester på det afgørende 10-mikrometer område, hvor den menneskelige krop udstråler det meste af sin varme.

Tong og co har endnu et trick i ærmet. De påpeger, at at gøre fibrene mindre vil få dem til at sprede sig og reflektere infrarødt lys mindre stærkt. Så mere infrarødt lys vil passere igennem.

Dette har en ekstra fordel. Nylon og polyester transmitterer synligt lys ganske godt, men at reducere størrelsen af ​​fibrene til synligt lys vil få fibrene til at sprede det kraftigere. Det skulle sikre, at disse materialer ser uigennemsigtige ud for det menneskelige øje.

Holdet fortsætter med at beregne effekten af ​​at bære et nylon- eller polyesterstof lavet af fibre, der er en mikrometer i diameter og vævet ind i garn, der er 30 mikrometer tykt. Disse beregninger tyder på, at den øgede infrarøde transmittans ville give det svarende til mindst 23 watt køling. Disse materialer bør stadig være uigennemsigtige ved synlige bølgelængder.

Infrarødt gennemsigtigt synligt uigennemsigtigt stof giver en enkel løsning til at reducere energiforbruget i HVAC-systemer ved at muliggøre højere temperaturindstillingspunkter i løbet af sommeren, konkluderer de.

Der er selvfølgelig nogle forbehold. Den første er, at disse materialer skal farves til æstetiske formål, før de kan bruges bredt i detailbeklædningsgenstande. Den effekt, som disse farvestoffer ville have på infrarød transmittans, er endnu ikke klar.

Vandporøsitet er en anden faktor. Dette har en vigtig indflydelse på komforten, fordi meget kropsafkøling kommer fra svedfordampningen. Hvis vand ikke kan passere gennem disse materialer, vil de sandsynligvis være ubehagelige at have på.

Og bærbarhed vil være en vigtig i sig selv. Disse materialer skal være bløde at røre ved og behagelige at have på, faktorer som er svære at måle ud fra en undersøgelse som denne. Så er der holdbarhed og vaskbarhed - vigtige faktorer i mange købsbeslutninger.

Endelig er der spørgsmålet om privatlivets fred. Infrarøde kameraer bliver stadig mere billige og almindelige, og enhver, der bærer disse stoffer, vil fremstå mere eller mindre nøgne for disse kameraer. Tong og co nævner ikke dette i deres papir, men det vil sandsynligvis være en vigtig overvejelse i en verden, hvor pinlige billeder kan spredes rundt i verden på et øjeblik.

En løsning kan være at blande materialet med andre mere almindelige, men igen skal virkningen af ​​dette i infrarød transmittans bestemmes omhyggeligt. Der er klart behov for mere arbejde på alle disse fronter.

Ikke desto mindre er dette et interessant bud på et vigtigt problem, som kan have betydelig indflydelse på energiforbruget på steder, hvor klimaanlæg er udbredt.

Ref: arxiv.org/abs/1507.04269 : Infrarød-transparent synligt-ugennemsigtigt stof til bærbar personlig termisk styring

skjule