На бытовое и промышленное регулирование температуры приходится значительная часть мирового потребления энергии. Эффективное поддержание желаемой температуры при минимальных затратах энергии имеет решающее значение как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Регулирование температуры внутри помещений обычно достигается с помощью кондиционера (AC), который потребляет огромное количество энергии.

Ожидается, что к 2023 году ежегодное потребление энергии переменного тока в мире превысит сотни миллиардов долларов. Эта сумма будет увеличиваться из-за постоянных требований к охлаждению (24/7) со стороны растущего числа крупных центров обработки данных. Из-за серьезных экономических трудностей и ухудшения состояния окружающей среды существует острая потребность в возобновляемых методах охлаждения с минимальными затратами энергии.

В новой статье, опубликованной в eLight, группа ученых под руководством профессора Баохуа Цзя из Университета RMIT в Мельбурне разработала рулонную полимерную пленку для улучшения радиационного охлаждения. Новая технология представляет собой концепцию метаповерхности, реализуемую за счет размещения трехмерных траншееобразных структур внутри тонкого слоя полимерной пленки.

Обычное рассеивание тепла обычно требует дополнительных затрат энергии. Технология радиационного охлаждения привлекла широкое внимание благодаря своей уникальной способности испускать тепловое излучение в космическое пространство. Это охлаждает объект, не потребляя энергии. Идеальный радиационный охладитель должен обладать высокой излучательной способностью в пределах окна прозрачности атмосферы Земли. Радиационные охладители должны сильно отражать солнечное излучение, чтобы предотвратить нагревание солнечным светом. Таким образом, способность гибко и точно манипулировать спектрами в широком диапазоне является ключом к достижению высокой эффективности охлаждения, но это остается сложной задачей.

Эффекты радиационного охлаждения были успешно продемонстрированы в трех различных типах. Типы основаны на используемых материалах и стратегиях проектирования конструкций: полимеры, многослойные тонкие пленки и метаматериалы. Среди этих конструкций полимерные пленки обладают многими привлекательными свойствами. К ним относятся низкое поглощение солнечного света, относительно высокая излучательная способность в окнах прозрачности атмосферы, низкая стоимость и масштабируемость, что делает их очень перспективными для реальных применений.

Однако пленки, основанные только на присущих материалу свойствах поглощения без наноструктурной инженерии, обладают лишь ограниченной способностью достигать единой ИК-излучательной способности и коэффициента отражения солнца при желаемой широкой полосе пропускания. Хотя внедрение случайно распределенных частиц может улучшить спектральную управляемость, достижение точно контролируемого спектра является сложной задачей.

Метаматериалы на основе периодических структур продемонстрировали выдающуюся способность к спектральным манипуляциям при суточном радиационном охлаждении. Но радиационные охладители из метаматериалов основаны на жестких подложках большой толщины, которые не могут быть интегрированы с объектами произвольной формы. Что еще более важно, из-за проблем с изготовлением периодических микро/наноструктур они ограничены небольшими участками и, следовательно, не подходят для реальных применений.

Исследовательская группа обеспечила возможность точной манипуляции спектром в тонких полимерных материалах путем проектирования периодических метаповерхностных структур, похожих на траншеи. Затем они изготовили их с использованием удобной в производстве технологии печати от рулона к рулону. Полимерная метаповерхностная пленка с радиационным охлаждением (PMRC) толщиной 50 мкм отражает почти весь падающий солнечный свет. В то же время она сильно пропускает тепловое излучение через окна прозрачности атмосферы. В результате обеспечивается превосходное охлаждение в течение всего дня.

Пленку можно легко интегрировать в различные устройства, такие как резервуар для воды, защитный костюм от COVID и автомобильный чехол, обеспечивая превосходные характеристики охлаждения. Изготовленная из рулона гибкая пленка PMRC экономична и легко крепится к любому объекту для широкого применения в области охлаждения, удовлетворяя строгие потребности в охлаждении без потребления энергии. Пленка PMRC обеспечивает всенаправленное поглощение и излучение, обеспечивая при этом превосходные характеристики охлаждения. Она также обеспечивает гибкость, масштабируемость и хорошую стабильность, обещая огромное практическое применение в терморегулировании.