211service.com
Et materiale som kaster varme ut i verdensrommet, kan snart gjenoppfinne klimaanlegget
James Temple
Eli Goldstein, en fersk medgrunnlegger av SkyCool Systems, åpnet garasjeporten på siden av Stanford spinouts trange arbeidsplass i Burlingame, California, og rullet et sett med firkantede sølvpaneler inn på parkeringsplassen.
De ble vippet mot solen, dekket av noe som så ut som perfekt krøllfri aluminiumsfolie og festet til en metallramme med en rekke rør, rør og termometre.
Temperaturene nådde 104 ˚F på San Francisco-halvøya den dagen, starten på en sjelden og sviende hetebølge i Bay Area. Å gå foran panelene føltes som å gå forbi en åpen ovn.
Det er nettopp poenget. SkyCools paneler er i hovedsak høyteknologiske speil, designet for å kjøle bygninger langt mer effektivt enn tradisjonelle luftkondisjoneringssystemer ved å utnytte et merkelig innfall av optikk som lar et smalt bånd med stråling flykte ut i verdensrommet (se The Sky May Hold the Secret to Efficient Aircondition). Avhengig av applikasjonen og klimaforholdene, kan teknologien kutte energien som brukes til å kjøle ned strukturer med 10 til 70 prosent, krympe et av de største enkeltkravene til det amerikanske nettet og redusere klimagassutslipp tilsvarende.
Å forstå hvordan det fungerer krever litt bakgrunn. Alle objekter avgir varme i form av infrarød stråling, en usynlig form for lys like til høyre for rødt på spekteret. Poenget med jakker, votter og skjerf er å beholde så mye av den strålevarmen som mulig, og holde oss varme på vinterdager. Selve atmosfæren, hovedsakelig i form av vannmolekyler, stråler også tilbake en del av varmen.
Men et snev av utslipp i det mellom-infrarøde området (med bølgelengder mellom åtte og 13 mikrometer, for de som holder poengsummen) slipper gjennom, og slipper gjennom det som har blitt beskrevet som en vindu ut i rommet . Materialer som sender ut stråling i det området, kaster den bokstavelig talt inn i de kalde delene av rommet, eller i det minste den kjølige øvre atmosfæren, slik at overflatene selv kan dykke under temperaturen til den omkringliggende luften. Dette naturfenomenet er det som får frost til å dannes på overflater under åpen nattehimmel, som bilvinduer og gresstrå, selv når temperaturen ikke når frysepunktet.
En kritisk utfordring for å utnytte denne mekanismen på nyttige måter har vært at i løpet av dagen oppveier varmen fra solen generelt enhver kjølende effekt. Men i forskning først publisert i Natur på slutten av 2014 kom forskerne bak SkyCool Systems rundt dette problemet ved å utvikle et avansert materiale innstilt for å utstråle infrarødt lys i området som sklir gjennom atmosfæren samtidig som det reflekterer bort 97 prosent av sollys. Plassert på et tak under direkte sollys, holdt materialet seg 4,9 ˚C under omgivelsestemperaturen, en kjølekraft på 40,1 watt per kvadratmeter.
Tre av forskerne som var involvert i dette arbeidet var med på å starte SkyCool Systems i fjor vår i et forsøk på å kommersialisere teknologien. Goldstein er oppstartens teknologisjef; Aaswath Raman, hovedforfatter av den originale artikkelen og en av MIT Technology Review 's 35 innovatører under 35 i 2015, fungerer som administrerende direktør; og Shanhui fan , en Stanford-professor i elektroteknikk, fungerer som rådgiver.
SkyCools passive radiative kjølepaneler blir evaluert i et feltforsøk i Davis, California.
Forrige uke publiserte forskerne en oppfølging papir i Naturenergi , som viser at en oppskalert versjon av teknologien kan brukes til å kjøle ned rennende vann. Ved å sette opp paneler med tynne vannrør som løper rett under dem, senket forskerne temperaturen på vannet med 5 ˚C i løpet av tre dagers testing. Resultatet tyder på at teknologien kan inkorporeres i eksisterende kjølemekanismer ved å erstatte eller utvide kondensatorkomponenten som brukes i konvensjonell klimaanlegg og kjøling. Gjennom modellering viste forskerne at integrering av teknologien i et to-etasjers kontorbygg i Las Vegas ville kutte elektrisitetsbehovet til kjøling med 21 prosent i løpet av sommeren.
Muligheten til å ettermontere systemet i eksisterende bygninger, redusere kostnadene for eiere og leietakere, betyr at det potensielle markedet er stort. Omtrent 14 prosent av den totale energiproduksjonen i USA går til nedkjøling av bolig- og næringsbygg. Department of Energy sitt moonshot ARPA-E-program, som gitt 3 millioner dollar til SkyCool-forskerne i 2012, fant ut at avanserte radiative kjølepaneler kunne kutte 10 til 20 prosent av denne bruken, og redusere toppbelastningskravene på strømnettet.
Men langt større energibesparelser kan være mulig for utviklere som velger å inkorporere radiative kjølesystemer direkte i nye bygninger under designfasen, sier Nick Fernandez, en energianalytiker ved Pacific Northwest National Laboratory. Hvis systemet ble kombinert med et hydronisk strålekjølesystem – en sjelden, men svært effektiv måte å kjøle bygninger på som fungerer ved å sirkulere vann i stedet for å blåse luft – kunne energibesparelsene for oppvarming, kjøling og ventilasjon nå nesten 70 prosent under ideelle klimaforhold , ifølge en simuleringsanalyse publisert i 2015 , der Fernandez var hovedforfatter.
SkyCool er ikke det eneste selskapet som går etter dette markedet. I februar publiserte et team av ingeniører ved University of Colorado, Boulder en papir i Vitenskap beskriver et glass-polymer-hybridmateriale som oppnådde strålingskjøleeffekt på middagstid på 93 (watt per kvadratmeter) under direkte solskinn. Forskerne understreket at de allerede har funnet ut hvordan man rimelig kan produsere ruller av det filmlignende materialet, noe som gjør det til en potensielt levedyktig storskalateknologi for både bolig- og kommersielle applikasjoner, i henhold til en universitetspublikasjon.
I likhet med Stanford-teamet samlet CU Boulder-forskerne inn penger fra ARPA-E, søkte om patent og dannet et selskap, Radi-Cool. Forskerne er i samtaler med potensielle investorer og produsenter, sier Ronggui Yang, professor i maskinteknikk, som er medforfatter av papiret og fungerende administrerende direktør for oppstarten.
SkyCools forskere, som har sikret en begrenset mengde ekstra føderal og privat finansiering, fortsetter å forbedre effektiviteten til de avanserte materialene. Raman, oppstartens administrerende direktør, nekter å diskutere eventuelle produktpriser, men han tror at eventuelle forhåndskostnader vil bli oppveid av langsiktige energibesparelser. Hvis en takradiator av typen SkyCool utvikler kunne produseres og installeres for mindre enn 58 cent per kvadratfot, vil energibesparelsene dekke disse kostnadene i løpet av omtrent fem år, estimerte Pacific Northwest Lab-studien.
Selskapet gjennomfører en feltprøve av sin siste generasjon paneler i Davis, California, omtrent to timer unna Burlingame i Central Valley, og evaluerer teknologien som en måte å forsterke både klimaanlegg og kommersielle kjølesystemer.
SkyCools neste store milepæl vil være en storstilt demonstrasjon med en tidlig kunde eller partner, som Raman og Goldstein håper å starte neste år. De retter seg mot virksomheter med store kjølebehov, for eksempel supermarkeder og datasentre, der eventuelle energibesparelser øker raskt. Samtaler med potensielle kunder har allerede startet.