Можно ли охлаждать помещение за счет теплообмена с космосом

Это известный факт и об этом мы уже писали на страницах сайта, что окружающая нашу Землю вселенная имеет очень низкую температуру. Теплообмен поверхности Земли и космоса ночью приводит к образованию росы, инея и даже замерзания воды при положительных температурах окружающего воздуха. (см. заметку "Может ли вода в луже замерзнуть при положительной температуре?") Однако это ночное охлаждение предметов не велико, т.к. атмосфера не является прозрачной во всем диапазоне длин волн. Фактически, теплообмен с космосом происходит в ограниченном диапазоне 8-14 мкм, который так и называется «окном прозрачности» атмосферы. 

На рисунке можно видеть сплошное «окно» прозрачного электромагнитного спектрального пропускания между 8 и 14 мкм. Фрагменты «окна» также могут быть замечены в видимой области спектра. Рис. с сайта  https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_window

Может ли происходить теплообмен с космосом днем? Днем температура космоса та же, но мы находимся под лучами Солнца, излучение которого нагревает атмосферу и Землю. Окно прозрачности не закрыто, теплообмен с космосом существует, но солнечный нагрев намного сильнее. Предположим, что мы как-то защитились от солнечных лучей, например с помощью экранов с абсолютным отражением светового и теплового солнечного потока. Однако при этом мы защитились и от радиационного теплообмена с космосом, поэтому не можем охлаждать объект, используя этот источник теплоотвода.

В сентябре в журнале Science появилась интересная статья. (J. Mandal, Y. Fu, A. Overvig, M. Jia, K. Sun, N. Shi, H. Zhou, X. Xiao, N. Yu, Y. Yang. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling // Science. 2018. ) Ученые попытались создать специальное покрытие, которое выполняет сразу две функции – отражение солнечного света и излучение тепла в открытый космос в диапазоне прозрачности атмосферы. Это изобретение многообещающее, т.к. оно может подобно краске наноситься на поверхность зданий, и охлаждение домов, покрытых такой краской, не потребует затрат электрической энергии, т.к. для отвода тепла будет использоваться теплообмен с окружающей нас вселенной.

Попытки создания охлаждающих покрытий не первые. Однако до настоящего времени структура покрытий была довольно сложная и неприменимая для больших объектов. Ещё в 1981 г. ученые предложили покрытие из моноксида кремния SiO толщиной 1 микрон на алюминии. С таким покрытием в условиях ясной ночи удается достичь охлаждения на 10-15 градусов ниже температуры окружающего воздуха (C. G. Granqvist, A. Hjortsberg, 1981. Radiative cooling to low temperatures: General considerations and application to selectively emitting SiO films).

В 2013 году ученые из Стэнфордского университета изобрели композитный материал на основе кварца и карбида кремния, который может почти полностью отражать солнечный свет и одновременно излучать инфракрасные волны в так называемых окнах прозрачности атмосферы (Eden Rephaeli, Aaswath Raman, and Shanhui Fan, Nano Lett., 2013, Ultrabroadband Photonic Structures To Achieve High-Performance Daytime Radiative Cooling) (A. P. Raman et al., 2014. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight) Добиться этого удалось благодаря сложной многослойной наноструктуре, которая была подобрана по результатам численного моделирования и работает за счет сложной интерференции излучения, формирующегося в разных слоях.  Панели из такого материала, расположенные на крыше здания или автомобиля, способны в солнечный день рассеивать около 100 ватт тепла на квадратный метр поверхности.

В чем же новизна изобретения 2018 г? Покрытие, разработанное учеными, имеет очень высокий коэффициент отражения солнечного излучения в диапазоне 0,3–2,5 мкм , но оно также характеризуется способностью пропускать излучение 8–13 мкм. Таким образом, поверхность объекта, покрытого изобретенным материалом, будет охлаждаться даже днем под прямыми солнечными лучами. Такой материал имеет свойства «кондиционера» для помещений с нулевым потреблением электричества и полным отсутствием движущихся частей. Важным достоинством является метод изготовления покрытия – оно может наноситься на подложку подобно краске.

Для изготовления охлаждающего полимерного покрытия используется метод изготовления пористой структуры на основе фазовой инверсии. За основу взяли сополимер винилфторида и гексафторпропена, который хорошо растворим в ацетоне, но не растворим в воде. Сополимер сначала растворяют в ацетоне и затем добавляют воду, полученную эмульсию наносят на подложку. Летучий ацетон испаряется, и появляются капли воды, вокруг которых кристаллизуется нерастворимый в воде полимер. Образуется пористая структура. Когда из этого материала испарится вода, то остается полимер с порами диаметром от 50 до 10000 нм.

Рисунок из статьи в Science

Интересно, что внутренняя поверхность пор может интенсивно рассевать свет в видимом и ближнем ИК диапазоне. Как указано в статье, покрытие содержит не зависящие от подложки полусферические солнечные отражатели (0,96 ± 0,03) и длинноволновые инфракрасные эмиттеры (0,97 ± 0,02), излучающие в окне прозрачности атмосферы. Это позволяет понижать температуру окружающей среды до ~ 6 ° C в условиях солнечной интенсивности 890 Вт/ м² .

Ученые считают, что предложенный ими метод получения пористого сополимера винилфторида и гексафторпропена можно применить и для других полимеров.  В настоящее время исследователи проводят дополнительные испытания пористого сополимера чтобы окончательно подтвердить возможность применения своего изобретения в обычных красках для окрашивания фасадов и кровли зданий.