Радиационный плащ сохраняет предметы теплыми и прохладными

Исследователи из Китая разработали термоплащ, который может радиационно охлаждать предметы в жаркую погоду и сохранять их тепло в холодную погоду. Кехан Цуй из Шанхайского университета Цзяо Тонг и его коллеги говорят, что их новая технология предлагает многообещающий способ регулирования температуры без затрат энергии.

На отопление и охлаждение зданий приходится около 20% мирового потребления энергии. Поскольку изменение климата приводит к увеличению частоты и суровости экстремальных погодных явлений, в ближайшие десятилетия системы контроля температуры будут расширяться еще больше.

В результате исследователи стремятся создать недорогие, углеродно-нейтральные технологии, которые могут пассивно регулировать температуру, не используя источник питания.

Важной проблемой при создании таких систем является то, что традиционные терморегулирующие материалы не могут автоматически переключать свое радиационное поведение. Например, некоторые охлаждающие материалы отражают солнечное излучение, излучая при этом излучение среднего инфракрасного диапазона в «окне прозрачности». Это окно является частью электромагнитного спектра, где излучение не отражается и не поглощается атмосферой, и это излучение будет иметь охлаждающий эффект. Однако эти материалы также будут излучать излучение при низких температурах, отбрасывая драгоценное тепло.

Теперь Куи и его коллеги создали новый «тепловой плащ Януса» (JTC), который регулирует температуру при любой температуре окружающей среды. «Плащ состоит из цельнокерамической фононной метаткани с радиационным охлаждением, обращенной к небу, и фольги, перерабатывающей фотоны, обращенной внутрь», — объясняет Кюи.

Команда выбрала эти материалы из-за их высокой прочности и стабильности, низкой стоимости и превосходной устойчивости к огню и коррозии. В результате они говорят, что плащ прост в изготовлении и устойчив к суровым условиям окружающей среды.

Внутренняя фольга JTC, изготовленная из алюминиевого сплава, имеет высокую теплопроводность, но почти идеально отражает излучение во всем инфракрасном спектре, удерживая тепло внутри. Исследователи говорят, что в зависимости от доступности материалов также можно использовать такие материалы, как керамика, медь и нержавеющая сталь.

Метаткань JTC, обращенная к небу, представляет собой каркас, сотканный из плетеных кварцевых волокон, соединенных с двумерным гексагональным кристаллом нитрида бора. В результате создается «гиперболический» материал, реакция которого на падающие электромагнитные волны зависит от угла их подхода.

В отличие от фольги под ней, метаткань имеет чрезвычайно низкую теплопроводность, но хорошо отражает солнечное излучение, охватывая видимый и ближний инфракрасный диапазон. Это происходит из-за взаимодействия света и материи внутри метаткани, что приводит к рассеиванию среднего инфракрасного излучения вокруг осей его кварцевых волокон. В окне прозрачности метаткань переизлучает практически все поглощенное ею излучение, не передавая его фольге.

В результате тепло внутри замаскированного объекта имеет тенденцию сохраняться, но излучение окружающей среды не будет нагревать объект.

Новая эластокалорическая система охлаждения перспективна для коммерческого использования

Команда Цюи протестировала JTC на электромобилях, припаркованных на улицах Шанхая, и сравнила температуру в их салоне с температурой в салоне открытых автомобилей. В ходе эксперимента в крытых автомобилях в жаркие летние дни было примерно на 8°C прохладнее, чем в открытых, и на 6,8°C теплее в холодные зимние ночи.

«Это первый случай, когда нам удалось добиться повышения температуры окружающей среды почти на 7 °C в зимние ночи», — описывает Куи. «Это также удивляет нас: здесь нет ни энергии, ни солнечного света, и мы все еще можем согреться». Это пассивное регулирование особенно важно для электромобилей, поскольку их аккумуляторы и электрические компоненты не могут легко выдерживать резкие перепады температуры.

Для Кюи и его коллег следующим шагом станет масштабирование их конструкции, что, возможно, приведет к появлению множества интересных практических приложений. «Теплозащитный плащ надежен, действительно пассивен и не требует изменения фазы или движущихся частей», — продолжает он. «Это делает его перспективным для использования в реальных приложениях в зданиях, транспортных средствах и даже во внеземных средах».