麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種新的方法，在炎熱的晴天提供冷卻，使用廉價(jià)的材料，不需要化石燃料產(chǎn)生的能量。無(wú)源系統(tǒng)可以用來(lái)補(bǔ)充其他冷卻系統(tǒng)，以保存在炎熱的離網(wǎng)位置的食物和藥物，基本上是一種高科技版的遮陽(yáng)傘。

該系統(tǒng)允許在中紅外光范圍內(nèi)發(fā)射熱量，這些光可以直接通過(guò)大氣層并輻射到外層空間的冷空氣中，直接穿過(guò)像溫室一樣的氣體。為防止在陽(yáng)光直射下加熱，懸掛在設(shè)備上方的一小塊金屬擋住了太陽(yáng)的直射光線。

新系統(tǒng)將于本周在自然通訊雜志上發(fā)表，研究科學(xué)家Bikram Bhatia，研究生Arny Leroy，機(jī)械工程教授，系主任Evelyn Wang，物理學(xué)教授Marin Soljacic和麻省理工學(xué)院的其他六位研究人員在論文中描述了這一新系統(tǒng)。

研究人員說(shuō)，從理論上講，他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以在像波士頓這樣的位置提供比環(huán)境溫度低20攝氏度(36華氏度)的冷卻。到目前為止，在他們最初的概念驗(yàn)證測(cè)試中，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6 C(約11 F)的冷卻。對(duì)于需要更多冷卻的應(yīng)用，其余的可以通過(guò)傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)或熱電冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)。

其他團(tuán)體已經(jīng)嘗試設(shè)計(jì)以中紅外波長(zhǎng)光的形式輻射熱量的被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)基于復(fù)雜的工程光子器件，制造成本高昂且不易于廣泛使用，研究人員說(shuō)。這些設(shè)備非常復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)幾乎可以完美地反射所有波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，并且大部分只能發(fā)射中紅外范圍內(nèi)的輻射。選擇性反射率和發(fā)射率的組合需要多層材料，其中層的厚度被控制為納米精度。

但事實(shí)證明，類(lèi)似的選擇性可以通過(guò)簡(jiǎn)單地阻擋直射陽(yáng)光來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中窄條以恰好的角度放置以覆蓋太陽(yáng)穿過(guò)天空的路徑，不需要設(shè)備的主動(dòng)跟蹤。然后，由廉價(jià)塑料薄膜，拋光鋁，白色涂料和絕緣材料組合而成的簡(jiǎn)單裝置可以通過(guò)中紅外輻射進(jìn)行必要的熱量散發(fā)，這是大多數(shù)自然物體冷卻的方式，同時(shí)防止裝置受到影響。被陽(yáng)光直射加熱。實(shí)際上，自古以來(lái)就使用簡(jiǎn)單的輻射冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)夜間冷卻; 問(wèn)題是這樣的系統(tǒng)在白天不起作用，因?yàn)樘?yáng)光的加熱效果比最大可達(dá)到的冷卻效果強(qiáng)至少10倍。

但是太陽(yáng)的加熱射線以直線傳播并且容易被阻擋 - 例如，我們?cè)谘谉岬奶鞖庵胁鹊綐?shù)的陰影中。通過(guò)在設(shè)備上方放置一把傘來(lái)遮擋設(shè)備，并在設(shè)備周?chē)砑咏^緣材料以保護(hù)設(shè)備免受環(huán)境空氣溫度的影響，研究人員使被動(dòng)冷卻更加可行。

“我們?cè)诼槭±砉W(xué)院的屋頂上建立了設(shè)置并進(jìn)行了戶外實(shí)驗(yàn)，”Bhatia說(shuō)。“這是使用非常簡(jiǎn)單的材料完成的”，并清楚地顯示了該系統(tǒng)的有效性。

“這有點(diǎn)看似簡(jiǎn)單，”王說(shuō)。“通過(guò)為大氣提供單獨(dú)的陰影和發(fā)射器 - 兩個(gè)可以相對(duì)低成本的獨(dú)立組件 - 系統(tǒng)不需要特殊的能力來(lái)選擇性地發(fā)射和吸收。我們使用角度選擇性來(lái)允許阻塞直射太陽(yáng)，因?yàn)槲覀兝^續(xù)向天空發(fā)射載熱波長(zhǎng)。“

該項(xiàng)目“激發(fā)了我們重新思考'陰影'的使用，”該研究的附屬機(jī)構(gòu)和該論文的共同作者Yichen Shen說(shuō)。“過(guò)去，人們只是在考慮使用它來(lái)減少加熱。但現(xiàn)在，我們知道陰影是否巧妙地與一些支持性光過(guò)濾一起使用，它實(shí)際上可以用來(lái)冷卻物體，”他說(shuō)。

Leroy說(shuō)，該系統(tǒng)的一個(gè)限制因素是大氣中的濕度，它可以阻擋一些通過(guò)空氣發(fā)射的紅外線。在像波士頓這樣靠近海洋且相對(duì)潮濕的地方，這限制了可以實(shí)現(xiàn)的總冷卻量，將其限制在大約20攝氏度。但是在干燥的環(huán)境中，例如美國(guó)西南部或世界上許多沙漠或干旱的環(huán)境，他指出，最大可實(shí)現(xiàn)的冷卻實(shí)際上要大得多，可能高達(dá)40攝氏度(72華氏度)。

雖然大多數(shù)關(guān)于輻射冷卻的研究都集中在可能用于冷卻整個(gè)房間或建筑物的較大系統(tǒng)上，但這種方法更加局部化，Wang說(shuō)：“這對(duì)于制冷應(yīng)用很有用，例如食品儲(chǔ)存或疫苗。” 事實(shí)上，保護(hù)疫苗和其他藥物免受熱，熱帶條件的腐敗一直是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)，這項(xiàng)技術(shù)可以很好地解決。

Wang說(shuō)，即使系統(tǒng)不足以將溫度降至所需的水平，“它至少可以降低電氣制冷系統(tǒng)的負(fù)荷”，提供最后的冷卻能力。

該系統(tǒng)也可用于某些類(lèi)型的聚光光伏系統(tǒng)，其中鏡子用于將太陽(yáng)光聚焦在太陽(yáng)能電池上以提高其效率。但是這樣的系統(tǒng)很容易過(guò)熱，并且通常需要使用流體和泵進(jìn)行主動(dòng)熱管理。相反，這種聚光系統(tǒng)的背面可以配備在被動(dòng)冷卻系統(tǒng)中使用的中紅外發(fā)射表面，并且可以在沒(méi)有任何主動(dòng)干預(yù)的情況下控制加熱。

當(dāng)他們繼續(xù)致力于改進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，最大的挑戰(zhàn)是找到改善設(shè)備絕緣性的方法，以防止設(shè)備過(guò)度加熱，同時(shí)不會(huì)阻擋其散熱能力。“主要的挑戰(zhàn)是找到紅外透明的絕緣材料，”Leroy說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)已申請(qǐng)?jiān)摪l(fā)明的專利，并希望它能夠迅速開(kāi)始尋找真實(shí)世界的應(yīng)用程序。