Ett förändrat klimat kräver nya energieffektiva sätt att kyla byggnader och fordon. Nu kan forskare visa hur kyla från rymden skulle kunna användas för att reglera temperaturer. Tekniken bygger på passiv utstrålande kylning som kan styras elektriskt.
För att kyla byggnader används idag främst traditionell luftkonditionering som kräver både stora mängder energi och använder miljöfarliga kylmedier.
– Men med hjälp av passiv utstrålande kylning skulle rymdens kyla kunna användas för att komplettera vanlig AC och minska energiförbrukningen, säger Magnus Jonsson, professor vid Linköpings universitet.
Passiv utstrålande kylning, eller ”passive radiative cooling” på engelska, innebär att energi lämnar ett objekt i form av infraröd värmestrålning. Alla objekt – träd, byggnader, vatten och även vi människor – avger infraröd värme.
Infraröd värme hos material
Olika typer av material avger olika mängd infraröd värme. Det beror på materialets förmåga att ta upp infraröd värmestrålning. Ju bättre det är på att ta upp infraröd värme desto bättre är materialet också på att avge värmen.
Ett exempel är vanligt vitt skrivpapper som är bra på att ta upp och avge infraröd värme. Däremot är metaller ganska dåliga eftersom den mesta av värmen reflekteras.
Effekten har använts för istillverkning
Tack vare atmosfärens förmåga att släppa igenom ljus i just det infraröda våglängdsområdet kan man använda rymdens kyla, cirka 270 minusgrader, för att avlägsna värmen från jorden. I och med temperaturskillnaden kan det bli en nettotransport ut. Ett objekt kan därför få lägre temperatur än omgivningen med hjälp av passiv utstrålande kylning.
Den här effekten har använts långt tillbaka i historien för att till exempel tillverka is i varmare klimat. Men på senare år har materialforskningen intresserat sig allt mer för fenomenet och utvecklat nya material, som har en hög förmåga att avge infraröd värme och samtidigt inte värmas upp av solens strålar.
Temperatur kan regleras
Nu har forskare vid Linköpings universitet visat att temperaturen hos ett material kan regleras genom att elektriskt styra till vilken grad det avger värme genom passiv utstrålande kylning. Konceptet använder en ledande polymer för att elektrokemiskt styra hur mycket värme materialet avger.
– Man kan jämföra det med en termostat. I dagsläget lyckas vi justera temperaturen med 0,25 grader celsius. Det kanske inte låter som mycket men poängen är att vi lyckats visa att det går att göra den här styrningen vid rumstemperatur och normalt tryck, säger Debashree Banerjee, forskare vid Linköpings universitet.
Flera tillämpningar på sikt
Forskarna menar att det nu finns en potential att vidareutveckla både material och metod. På sikt kan man tänka sig material som kan läggas på ett tak, ungefär som en solcell, och på så vis styra den infraröda värmestrålningen från huset och kyla när det behövs. Metoden kräver extremt lite energiförbrukning och orsakar minimalt med föroreningar.
På ännu längre sikt kan tillämpningsområden också inkludera kläder och tapeter för att även inomhus reglera temperaturer och hur omgivningens temperatur upplevs.
Rymden som energikälla
I en annan studie har forskargruppen utvecklat ett termoelektriskt system som utnyttjar samma princip. Där används temperaturskillnaden mellan två cellulosamaterial, där det ena är infärgat med svart kol och därmed också tar upp solens värme.
Materialen är sammankopplade med ett material som omvandlar temperaturskillnaden till en elektrisk potential. När apparaten exponeras mot himlen skapas en elektrisk spänning på 60 millivolt vid måttlig solstrålning, men konceptet fungerar även på natten tack vare att de båda träbaserade materialen designats för att ha olika förmåga att utstråla värme.
– Vi använder inte bara solen utan även rymden som energikälla, säger forskaren Mingna Liao vid Linköpings universitet.
Mätningar i simulerad himmel
För att kunna utföra kontrollerade mätningar i båda studierna byggde forskarna en himmelssimulator. Då påverkades inte mätningarna av förändringar i omgivningen på samma sätt som utomhus.
Himmelssimulatorn består av ett rör med aluminiumbeklädda sidor som reflekterar strålningen. I botten placeras ett kärl med ett material som absorberar värmestrålningen och som är nedkylt med flytande kväve för att simulera yttre rymdens kyla.
Studierna:
Electrical Tuning of Radiative Cooling at Ambient Conditions, Cell Reports Physical.
Cellulose-based radiative cooling and solar heating powers ionic thermoelectrics, Advanced Science .
Kontakt:
Magnus Jonsson, professor och ledare för gruppen Organisk fotonik och nanooptik vid Linköpings universitet, magnus.jonsson@liu.se
