При изучении теплопередачи радиационное охлаждение [ 1] [2] — это процесс, при котором тело теряет тепло за счет теплового излучения . Как описывает закон Планка , каждое физическое тело самопроизвольно и непрерывно излучает электромагнитное излучение .
Радиационное охлаждение применялось в различных контекстах на протяжении всей истории человечества, включая производство льда в Индии и Иране , [3] тепловые экраны для космических кораблей, [4] и в архитектуре. [5] В 2014 году научный прорыв в использовании фотонных метаматериалов сделал возможным дневное радиационное охлаждение. [6] [7] С тех пор это было предложено в качестве стратегии по смягчению локального и глобального потепления , вызванного выбросами парниковых газов, известной как пассивное дневное радиационное охлаждение . [8]
Инфракрасное излучение может проходить через сухой чистый воздух в диапазоне длин волн 8–13 мкм. Материалы, которые могут поглощать энергию и излучать ее на этих длинах волн, обладают сильным охлаждающим эффектом. Материалы, которые также могут отражать 95% или более солнечного света в диапазоне от 200 нанометров до 2,5 мкм, могут охлаждаться даже под прямыми солнечными лучами. [9]
Система Земля-атмосфера охлаждается радиационно, испуская длинноволновое ( инфракрасное ) излучение, которое уравновешивает поглощение коротковолновой (видимого света) энергии Солнца.
Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла важны для удаления тепла с поверхности и распределения его в атмосфере. Чистый радиационный перенос более важен выше в атмосфере. Суточные и географические колебания еще больше усложняют картину.
Крупномасштабная циркуляция атмосферы Земли обусловлена разницей в поглощенной солнечной радиации на квадратный метр, поскольку в тропиках Солнце нагревает Землю больше , главным образом из-за геометрических факторов. Атмосферная и океаническая циркуляция перераспределяет часть этой энергии в виде явного тепла и скрытого тепла частично через средний поток и частично через вихри, известные как циклоны в атмосфере. Таким образом, тропики излучают в пространство меньше, чем если бы не было циркуляции, а полюса излучают больше; однако в абсолютном выражении тропики излучают в космос больше энергии.
Радиационное охлаждение обычно наблюдается в безоблачные ночи, когда тепло излучается в космическое пространство с поверхности Земли или от кожи человека-наблюдателя. Эффект хорошо известен среди астрономов-любителей .
Эффект можно ощутить, сравнив температуру кожи при взгляде прямо вверх на безоблачное ночное небо в течение нескольких секунд с температурой после помещения листа бумаги между лицом и небом. Поскольку космическое пространство излучает температуру около 3 К (-270,15 ° C ; -454,27 ° F ), а лист бумаги излучает около 300 К (27 ° C; 80 ° F) (около комнатной температуры ), лист лист бумаги излучает на лицо больше тепла, чем затемненный космос. Эффект притупляется окружающей атмосферой Земли и особенно содержащимся в ней водяным паром, поэтому видимая температура неба намного выше, чем в космическом пространстве. Простыня не блокирует холод, а вместо этого отражает тепло на лицо и излучает тепло лица, которое оно только что впитало.
Тот же механизм радиационного охлаждения может привести к образованию инея или черного льда на поверхностях, открытых для ясного ночного неба, даже если температура окружающей среды не опускается ниже нуля.
Термин «радиационное охлаждение» обычно используется для обозначения локальных процессов, хотя те же принципы применимы и к охлаждению в течение геологического времени, которое впервые было использовано Кельвином для оценки возраста Земли (хотя его оценка игнорировала значительное количество тепла, выделяющегося в результате распада радиоизотопа, неизвестное в то время и эффекты конвекции в мантии).
Радиационное охлаждение — один из немногих способов, которыми объект в космосе может выделять энергию. В частности, звезды -белые карлики больше не генерируют энергию путем термоядерного синтеза или гравитационного сжатия и не имеют солнечного ветра. Поэтому единственный способ изменения их температуры — это радиационное охлаждение. Это делает их температуру как функцию возраста очень предсказуемой, поэтому, наблюдая за температурой, астрономы могут определить возраст звезды. [10] [11]
Широкое применение технологий пассивного дневного радиационного охлаждения (PDRC), в которых используется инфракрасное окно (8–13 мкм) для рассеивания тепла посредством передачи тепла длинноволновым инфракрасным (LWIR) тепловым излучением в космическое пространство [12] , было предложено в качестве метода снижение повышения температуры, вызванного изменением климата . Установка технологий пассивного радиационного тепловыделения была предложена как необходимая для снижения температуры Земли достаточно быстрыми темпами для выживания человека . [13] Мандей резюмировал глобальное внедрение таких технологий:
В настоящее время Земля поглощает на ~1 Вт/м 2 больше, чем излучает, что приводит к общему потеплению климата. Покрыв Землю небольшой долей теплоизлучающих материалов, можно увеличить тепловой поток от Земли, а чистый радиационный поток можно уменьшить до нуля (или даже сделать отрицательным), тем самым стабилизируя (или охлаждая) Землю ( ...) Если бы вместо этого только 1–2% поверхности Земли излучали с такой скоростью, а не с ее нынешним средним значением, общие потоки тепла внутрь и наружу всей Земли были бы сбалансированы, и потепление прекратилось бы. [13]
PDRC имитируют естественный процесс радиационного охлаждения, при котором Земля охлаждается, выделяя тепло в космическое пространство ( энергетический бюджет Земли ), хотя в дневное время снижает температуру окружающей среды под воздействием прямой солнечной интенсивности. [14] В ясный день солнечное излучение может достигать 1000 Вт/м 2 с диффузной составляющей от 50 до 100 Вт/м 2 . Средний PDRC имеет расчетную мощность охлаждения ~100-150 Вт/м 2 . [15] Мощность охлаждения PDRC пропорциональна площади открытой поверхности установки. [16]
Холодные крыши сочетают в себе высокий коэффициент отражения солнечной энергии с высоким коэффициентом инфракрасного излучения , тем самым одновременно уменьшая приток тепла от солнца и увеличивая отвод тепла за счет излучения. Таким образом, радиационное охлаждение открывает потенциал для пассивного охлаждения жилых и коммерческих зданий. [5] Традиционные строительные поверхности, такие как лакокрасочные покрытия, кирпич и бетон, имеют высокий коэффициент излучения — до 0,96. [17] Они излучают тепло в небо, пассивно охлаждая здания в ночное время. Если эти материалы достаточно отражать солнечный свет, они также могут обеспечить радиационное охлаждение в течение дня.
Наиболее распространенными радиационными охладителями зданий являются белые холодные лакокрасочные покрытия крыш, коэффициент отражения солнечной энергии до 0,94 и коэффициент теплового излучения до 0,96. [18] Солнечное отражение красок возникает в результате оптического рассеяния диэлектрическими пигментами, встроенными в полимерную смолу краски, а тепловое излучение возникает из-за полимерной смолы. Однако поскольку типичные белые пигменты, такие как диоксид титана и оксид цинка, поглощают ультрафиолетовое излучение, коэффициент солнечного отражения красок на основе таких пигментов не превышает 0,95.
В 2014 году исследователи разработали первый дневной радиационный охладитель с использованием многослойной термофотонной структуры, которая избирательно излучает длинноволновое инфракрасное излучение в космос и может достигать температуры ниже 5 °C под прямыми солнечными лучами. [19] Позже исследователи разработали окрашиваемые пористые полимерные покрытия, поры которых рассеивают солнечный свет, обеспечивая коэффициент отражения солнечной энергии 0,96-0,99 и тепловое излучение 0,97. [20] В экспериментах под прямыми солнечными лучами покрытия достигли температуры ниже окружающей среды 6 °C и охлаждающей способности 96 Вт/м 2 .
Другие известные стратегии радиационного охлаждения включают диэлектрические пленки на металлических зеркалах [21] и полимерные или полимерные композиты на серебряных или алюминиевых пленках. [22] В 2015 году сообщалось о посеребренных полимерных пленках с коэффициентом солнечного отражения 0,97 и тепловыделением 0,96, которые остаются на 11 °C ниже, чем коммерческие белые краски под летним солнцем. [23] Исследователи исследовали конструкции с диэлектрическим диоксидом кремния или Частицы карбида кремния , встроенные в полимеры, полупрозрачные в солнечном диапазоне и излучающие в инфракрасном. [24] [25] В 2017 году сообщалось о примере этой конструкции с резонансными микросферами полярного кремнезема, случайно внедренными в полимерную матрицу. [26] Материал полупрозрачен для солнечного света и имеет коэффициент излучения 0,93 в инфракрасном окне пропускания атмосферы. Благодаря серебряному покрытию материал достигал мощности радиационного охлаждения в полдень 93 Вт/м 2 под прямыми солнечными лучами, а также обеспечивал высокую производительность и экономичность рулонного производства.
Покрытия с высокой излучательной способностью , способствующие радиационному охлаждению, могут использоваться в многоразовых системах тепловой защиты (СПТЗ) космических кораблей и гиперзвуковых самолетов. В таких теплозащитных экранах на теплоизолирующую керамическую подложку наносится материал с высокой излучательной способностью, такой как дисилицид молибдена (MoSi 2 ). [4] В таких теплозащитных экранах необходимо поддерживать высокий уровень общей излучательной способности , обычно в диапазоне 0,8–0,9, в диапазоне высоких температур. Закон Планка гласит, что при более высоких температурах пик радиационного излучения смещается в сторону меньших длин волн (более высоких частот), что влияет на выбор материала в зависимости от рабочей температуры. В дополнение к эффективному радиационному охлаждению системы радиационной тепловой защиты должны обеспечивать устойчивость к повреждениям и могут включать в себя функции самовосстановления за счет образования вязкого стекла при высоких температурах.
Космический телескоп Джеймса Уэбба использует радиационное охлаждение для достижения рабочей температуры около 50 К. Для этого его большой отражающий солнцезащитный экран блокирует излучение Солнца, Земли и Луны. Конструкция телескопа, постоянно находящаяся в тени из-за солнцезащитного экрана, затем охлаждается под воздействием радиации.
До изобретения технологии искусственного охлаждения приготовление льда путем ночного охлаждения было обычным явлением как в Индии, так и в Иране.
В Индии такие аппараты представляли собой неглубокий керамический лоток с тонким слоем воды, помещенный на открытом воздухе под открытым небом. Дно и борта утеплили толстым слоем сена. В ясную ночь вода будет терять тепло за счет излучения вверх. При условии, что воздух был спокоен и не превышал температуру нуля, приток тепла от окружающего воздуха за счет конвекции был достаточно низким, чтобы позволить воде замерзнуть. [27] [28] [3]
В Иране это включало создание больших бассейнов с плоским льдом , которые представляли собой отражающий бассейн с водой, построенный на слое высокоизолирующего материала, окруженном высокими стенами. Высокие стены обеспечивали защиту от конвективного нагрева, изоляционный материал стенок бассейна защищал от кондуктивного нагрева от земли, а большая плоская поверхность воды позволяла осуществлять испарительное и радиационное охлаждение.
Пассивное радиационное охлаждение использует окно прозрачности атмосферы (8–13 мкм) для отвода тепла в космическое пространство и препятствует поглощению солнечной энергии.