Emisor Janue (JET) para enfriar espacios cerrados. (A) Esquema de JET aplicado a un automóvil estacionario bajo la luz solar directa, donde el calor queda atrapado por el efecto invernadero. La propiedad de radiación térmica de Janus permite la absorción de ondas IR de banda ancha desde el recinto y la emisión selectiva al espacio ultrafrío. Fotografía insertada:JET fabricado que muestra un fuerte reflejo en el rango visible. Crédito de la foto:Yeong Jae Kim, ESENCIA. (B) Vista estructural ampliada. De arriba a abajo:PDMS de 4 μm, plata, cuarzo con micropatrones, y PDMS de 10 µm. (C) Espectros de emisión del JET ideal con emisión de banda ancha (BE) en la parte inferior y emisión selectiva (SE) en la parte superior. CAMA Y DESAYUNO, radiación de cuerpo negro. (D) Vista esquemática en sección transversal de JET. (E) Arriba:Estructura del polímero y coeficiente de extinción de PDMS. Espectros de emisión FIR simulados de JET para el SE (medio) y BE (abajo) en la región de longitud de onda de 0 a 16 μm. (F) Perfiles de absorción de PDMS delgados (arriba) y JET (abajo) a una longitud de onda de 10,75 μm, donde la mayor pérdida de emisiones ocurre en PDMS delgado. (G y H) Potencias de enfriamiento calculadas (Pcool) y temperaturas de enfriamiento (Tcool) bajo radiación solar AM1.5G para (G) Película delgada de PDMS versus SE durante el día y (H) SE versus BE durante el día (líneas discontinuas) y durante la noche ( lineas solidas). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb1906
Actualmente, es un desafío enfriar de manera eficiente espacios cerrados, como automóviles estacionarios, que atrapan el calor a través del efecto invernadero. En un nuevo informe en Avances de la ciencia , Se-Yeon Heo y un equipo de científicos en ciencia de materiales, ingeniería y nanoarquitectónica en Japón y la República de Corea, presentó un emisor Janus (JET) para enfriamiento de superficies. Utilizaron una capa de plata (Ag) -polidimetilsiloxano (PDMS) sobre un sustrato de cuarzo con micropatrones y el material les permitió enfriar el espacio incluso cuando el JET estaba conectado dentro de un recinto. Como resultado, el JET (emisor de Janus) podría mitigar pasivamente el efecto invernadero en los recintos y ofrecer un rendimiento de refrigeración de la superficie comparable al de los refrigeradores radiativos convencionales.
Tecnologías de enfriamiento
Las tecnologías de refrigeración actuales dependen de la compresión de vapor y los sistemas refrigerados por fluido, pero consumen aproximadamente el 10 por ciento de la energía global, mientras se acelera el agotamiento de los combustibles fósiles. Entre 1990 y 2018, la cantidad de dióxido de carbono (CO 2 ) las emisiones de la refrigeración de espacios se han más que triplicado hasta alcanzar los 1130 millones de toneladas, junto con los problemas cada vez mayores del agotamiento del ozono y la contaminación del aire. La Tierra puede enfriarse a sí misma a través del enfriamiento radiativo, una estrategia de gestión térmica pasiva para emitir calor no deseado al espacio exterior sin consumo de energía. y los refrigeradores radiativos pasivos han mostrado un enfriamiento subambiental cuando se unen a materiales exteriores como el techo o incluso la piel humana para extraer calor por convección o conducción durante el día. Sin embargo, tales estrategias pueden resultar ineficaces durante la acumulación extrema de calor en vehículos estacionados, donde pueden desarrollarse temperaturas extremadamente altas bajo el efecto invernadero debido a las ventanas transparentes que permiten la entrada de la radiación solar, siendo opaco a la radiación térmica de onda larga saliente. En este trabajo, Heo y col. propuso un emisor térmico Janus para actuar como emisor selectivo (SE) en la parte superior y como emisor de banda ancha (BE) en la parte inferior. El diseño extrajo eficientemente el calor del espacio interior y la superficie, mientras que la parte superior emitía calor al espacio sin perturbar la radiación ambiental.
Análisis teóricos, mejoramiento, y caracterización de JET. (A) Curva de dispersión de sSPP para el superestrato con el índice de refracción de PDMS. Áreas sombreadas en amarillo y gris:banda excitable y banda prohibida de sSPP determinada por líneas de luz de aire y PDMS, respectivamente. Regiones sombreadas anaranjadas y azuladas:ventanas sSPP del (1, 0) / (0, 1) y (1, 1) modos, respectivamente. (B y C) Espectros de emisividad en función de (B) espesor de un superestrato no absorbente y (C) coeficiente de extinción del superestrato. Estos resultados muestran que las mejoras en las emisiones que dependen del espesor del superestrato y el coeficiente de extinción solo ocurren en las ventanas sSPP, particularmente la ventana sSPP del (1, 0) / (0, 1) modos. (D) Espectros de emisividad de PDMS de película delgada (línea discontinua azul cielo) y JET sin y con sustrato de SiO2 (líneas rojas y azules, respectivamente). Cuadros naranjas:áreas con emisividad mejorada por las ventanas sSPP. Casillas blancas:Regiones con una emisividad inherentemente fuerte por PDMS debido a un alto coeficiente de extinción. Caja verdosa:el sustrato de SiO2 refuerza la caída de emisividad que es descubierta por la ventana sSPP y la fuerte región de emisividad. (E y F) Optimizaciones de ciclo de trabajo y profundidad. (G) Respuesta angular calculada de JET, mostrando la característica de emisión selectiva mantenida hasta el ángulo de incidencia de 80 °. (H a J) Imágenes SEM de JET optimizadas (H e I) sin recubrimiento Ag o PDMS y (J) con recubrimiento Ag y PDMS. (K y L) Espectros de emisividad medidos y simulados para el (K) SE y (L) BE del JET fabricado. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb1906 
Los científicos diseñaron en primer lugar un emisor selectivo (SE) basado en polímeros que incorporaba polaritón de plasmón superficial falso (sSPP) para lograr una selectividad casi ideal. Luego, mostraron teórica y experimentalmente los rendimientos de enfriamiento del emisor Janus (JET) en ambos lados, muy parecido a los refrigeradores radiativos de última generación. El JET funcionó como un canal de calor efectivo para absorber la radiación térmica de banda ancha desde el interior y el fondo, mientras usa el lado superior para irradiar calor como ondas infrarrojas (IR) al espacio exterior, como un fregadero frío. La muestra contenía una capa de polidimetilsiloxano (PDMS), una capa de plata de 100 nm de espesor y una capa de cuarzo con micropatrones recubiertos con PDMS de 10 µm de espesor en la parte inferior. El JET minimizó la perturbación de la energía solar y la radiación ambiental, donde el lado inferior adsorbió ampliamente la radiación térmica interna. El equipo calculó las potencias de enfriamiento y las temperaturas de enfriamiento para el emisor selectivo (SE) y el emisor de banda ancha (BE) durante el estudio.
Heo y col. analizaron los efectos de las resonancias de polariton de plasmón de superficie de suplantación (sSPP) sobre la emisividad de JET y la simulación mostró fuertes picos de absorción resonante excitados entre los dos modos de sSPP, debido a la resonancia de la cavidad de Fabry-Pérot de la configuración. El JET mostró una emisividad robusta a los ángulos cerca de la ventana atmosférica. Usando imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM), observaron el cuarzo con micropatrones con o sin recubrimiento de PDMS. Los espectros de emisividad medidos y simulados indicaron características casi ideales tanto en los emisores selectivos (SE) como en los emisores de banda ancha (BE) del sistema JET fabricado.
Rendimientos de enfriamiento de superficie de dos emisores en JET. (A) (Arriba) Ilustración esquemática y (abajo) fotografía del enfriador radiativo en la configuración de prueba de la azotea. Caja de aire ambiente, que evita el autocalentamiento del sensor de aire, se muestra en la fig. S5 (A y B) en detalle. Crédito de la foto:Gil Ju Lee, ESENCIA. (B) (Arriba) Intensidad solar promedio y temperatura promedio de enfriamiento (ΔT) de SE y BE en días despejados y con neblina. Todos los datos demuestran que SE tiene un mejor rendimiento de enfriamiento subambiental. (Abajo) Temperatura registrada detallada medida del resultado del día 2. (C) Componentes de potencia calculados en la ecuación de equilibrio térmico (Prad, PSun, Pnon-rad, y Patm) a lo largo del tiempo, utilizando datos en (B). La línea discontinua indica BE, y la línea continua es SE. (D a F) Mediciones continuas de treinta horas para (D) intensidad solar y temperaturas de SE, SER, y aire ambiente; (E) humedad relativa (RH) y punto de rocío; y (F) la potencia de enfriamiento (PCool) de SE y BE. La potencia de calentamiento es generada por la salida de la fuente de alimentación cuando la temperatura de la muestra coincide con el aire ambiente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb1906 
Para examinar la potencia de enfriamiento y la temperatura de enfriamiento tanto de los emisores selectivos como de los emisores de banda ancha (SE y BE) en el dispositivo, los científicos accedieron a una azotea al aire libre en el Instituto de Ciencias de Gwangju (GIST). El equipo evitó el autocalentamiento del sensor de aire ambiental mediante el uso de una caja de aire ambiental para sombrear el espectro solar y proporcionó un flujo de aire continuo a la configuración. Probaron la confiabilidad de los sensores de temperatura y no usaron un escudo de convección debido a la transmitancia imperfecta. Los resultados mostraron un enfriamiento subambiental bajo diferentes condiciones climáticas, donde la bruma y la humedad inhibieron la transferencia de calor a la atmósfera. Heo y col. clasificó la ecuación de balance de energía de estado estacionario en cuatro términos de potencia, incluyendo la (1) potencia emitida por la muestra, (2) potencia absorbida por emisión atmosférica, (3) potencia absorbida de irradiación solar y (4) transferencia de calor sin irradiación, que incluía conducción y convección. El SE fue más eficaz durante el enfriamiento subambiental en comparación con BE. El equipo midió la potencia de enfriamiento junto con las condiciones climáticas durante los experimentos.
Liberación de calor por JET en vehículos estacionados. Comparación esquemática del enfriador radiativo convencional y nuestro emisor Janus para un vehículo parado. El vehículo parado acumula energía solar y se calienta mucho. (A) El enfriador convencional empeora el calentamiento al reflejar la radiación interna y provocar el efecto invernadero. (B) El enfriador Janus enfría el automóvil absorbiendo ampliamente el calor interno atrapado y emitiéndolo selectivamente al espacio exterior. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb1906
Capacidad de enfriamiento de JET en un espacio cerrado
Aunque la transferencia de calor ocurre principalmente por convección en áreas abiertas, el mecanismo puede diferir en un espacio cerrado con una fuente de calor. Por ejemplo, un automóvil estacionado bajo el sol puede calentar desde 60 grados hasta 80 grados Celsius, aunque la temperatura ambiente es de solo 21 grados centígrados, causando hipertermia en los niños ocupantes. Durante la radiación térmica de Janus, los JET (emisores de Janus) pueden funcionar como un canal de calor para extraer calor del recinto y alterar significativamente la distribución de temperatura en la región interior. El JET es muy eficiente para reducir la temperatura del área protegida a través de la absorción de banda ancha y permite la emisión térmica selectiva a través de la ventana atmosférica.
El equipo desarrolló un modelo experimental con metal de aluminio y cuero negro para imitar el interior y el piso de un vehículo estacionario. estacionado bajo el sol. Realizaron el experimento en una azotea y observaron el rendimiento de enfriamiento excepcional de JET en el espacio cerrado repetidamente en cuatro días diferentes bajo diferentes condiciones climáticas. Basado en los resultados, el equipo propuso reemplazar el material utilizado aquí con otros polímeros para una variedad de beneficios optimizados, incluyendo una capacidad de enfriamiento general mejorada al minimizar la energía solar y aumentar la radiación térmica. Las propiedades superficiales del JET también proporcionaron efectos de impermeabilización y autolimpieza.
Demostración del enfriamiento del gabinete usando el modo Janus de JET. (A) Configuración de medición usando un calentador interno. Crédito de la foto:Gil Ju Lee, ESENCIA. (B) Temperatura del calentador de estado estable medida con C-RC, Rev. JET, y JET. El voltaje y la corriente suministrados al calentador se fijaron en 7.5 V y 0.105 A, respectivamente, durante 5 min. La temperatura ambiente promedio fue de 11,6 °, 11,3 °, y 11,0 ° C durante las mediciones de C-RC, Rev. JET, y JET, respectivamente. Crédito de la foto:Gil Ju Lee, ESENCIA. (C) Temperaturas del calentador simuladas considerando el intercambio de calor con el aire ambiente para los tres enfriadores radiativos. hc =0 W / m2 por K se refiere a que no hay intercambio de calor entre el gabinete y el aire ambiente. Las condiciones de las simulaciones son las siguientes:flujo de calor =4 W, Tamb =25 ° C, y emisividad de la ventana atmosférica en una longitud de onda de 8 a 13 μm =30%. (D) Temperatura del calentador simulada en función de la emisividad de la ventana atmosférica en una longitud de onda de 8 a 13 μm para los enfriadores radiativos. Una emisividad más baja indica una ventana atmosférica más transparente. Los parámetros de simulación son los siguientes:flujo de calor =4 W, Tamb =25 ° C, y hc =4 W / m2 por K. Los espectros de emisividad detallados de los enfriadores y la ventana atmosférica se muestran en la fig. S6C. (E) Configuración esquemática con calefacción por radiación solar externa en la forma moldeada de un automóvil. El agujero en la parte superior de la carcasa de Al está cubierto por la muestra, mientras que la parte frontal está cubierta por una ventana transparente solar y reflectante de infrarrojos. (F) Temperaturas del objeto radiativo para diferentes grupos de materiales de cobertura:C-RC (negro), Rev. JET (rojo), y JET (azul). (G) Mediciones durante 4 días con diferentes condiciones climáticas de claro y neblina. Las condiciones meteorológicas se estiman en términos de energía solar (amarillo), RH (verde), y temperatura del aire ambiente (gris). Negro, rojo, y azul, respectivamente, marcan las temperaturas de tres refrigeradores. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb1906
De este modo, Se-Yeon Heo y sus colegas mostraron cómo los emisores de Janus proporcionaron una estrategia pasiva para la emisión selectiva al espacio exterior, junto con la absorción de banda ancha en el lado opuesto del recinto. Para lograr esto, desarrollaron un emisor selectivo (SE) casi ideal con polaritón de plasmón superficial falso (sSPP) dentro de un polímero PDMS revestido en un marco de cuarzo micropatrón recubierto de plata para los experimentos. Examinaron la capacidad de JET para enfriar recintos, donde extrajo el calor en comparación con otros materiales. Utilizando las características de emisión bidireccional de los emisores Janus, el equipo redujo la temperatura de un objeto radiativo en un recinto que simulaba un entorno de automóvil estacionario. La capacidad superior de enfriar pasivamente las superficies superior e inferior, así como los espacios cerrados, puede permitir el desarrollo de diseños avanzados para minimizar el efecto invernadero en espacios cerrados como los automóviles estacionarios.
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