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2018
03-29

高科技镜梁从建筑物散热到太空


一种新型超薄多层材料,通过将建筑物内部的温暖辐射到太空中,同时也反射阳光来减少传入的热量,从而可以冷却没有空调的建筑物。

斯坦福大学的工程师们发明了一种革命性的涂层材料,即使在阳光明媚的日子里,也可以通过向建筑物散发热量并将其直接送入太空来帮助冷却建筑物。

由电机工程学教授范晓晖教授和研究助理Aaswath Raman在“自然”杂志“自然”中报道了这一节能突破。

本发明的核心是一种超薄的多层材料,以新的方式处理不可见和可见的光线。

红外辐射形式的不可见光是所有物体和生物散发热量的方式之一。当我们站在封闭的烤箱前面而没有触及它时,我们感觉到的热量是红外线。这种看不见的,承受热量的光线就是斯坦福大学的发明从建筑物中分流出去并送入太空的东西。

当然,阳光也温暖建筑物。除了处理红外线,这种新材料也是一种非常高效的镜子,几乎可以反射所有入射的阳光。

结果就是斯坦福大学的团队所说的光子辐射冷却技术 - 一种可以减轻建筑物内红外线热量的双重功能,同时还可以反射阳光,否则会使温度升高。结果是较冷的建筑物需要较少的空调。加利福尼亚大学伯克利分校工程教授Eli Yablonovitch说,“这是一个非常新颖而且非常简单的想法,也是指导能效电子科学中心的光子学先驱。 “由于范教授的工作,我们现在可以(不仅在夜间使用辐射冷却),而且在白天也是相反的。”

研究人员说,他们设计的材料对大规模生产具有成本效益,大规模部署在屋顶上。他们虽然还是一个年轻的技术,但他们相信总有一天可以减少对电力的需求。在美国,有15%的建筑能耗用于空调系统。

在实践中,研究人员认为涂层可能喷涂在更坚固的材料上,以使其适合于抵抗元素。诺贝尔奖获得者物理学家伯顿·里希特(Burton Richter)说:“这个团队展示了如何通过向太空的黑暗中散发热量来被动地冷却结构,斯坦福大学名誉教授,研究机构前主任,现在称为SLAC国家加速器实验室。

根据拉文( Nature 论文的主要作者),一个变暖的世界需要不需要电力的冷却技术。他说:“在发展中国家,光子辐射冷却使得农村地区的离网散热成为可能,除了满足城市地区空调需求的急剧增长外。

使用窗户进入太空

真正的突破是斯坦福材料如何从建筑物散发热量。

正如理科学生所知,热量可以通过三种方式传递:传导,对流和辐射。传导通过触摸传递热量。这就是为什么你不戴手套就碰烤箱的原因。对流通过流体或空气的运动传递热量。当烤箱打开的时候是空气的温暖。辐射以红外光的形式传播,从物体向外发散,看不到的。

涂层的第一部分单二冲头直接将热量的红外线辐射到太空中。这种超薄涂层经过精心设计,能够以精确的频率将建筑物的红外线从建筑物中分离出去,从而使其无需加热空气即可通过大气,这是全球变暖危险的一个关键特征。范思哲说:“想想就好像有一扇窗户进入太空。

瞄准镜面

但是, 空间是不够的。

这种多层涂料也可以作为一种高效率的反光镜,防止97%的阳光照射到建筑物并加热。拉曼说:“我们创造了一种散热器,这也是一面优秀的镜子。

在一起,辐射和反射使白天的光子辐射冷却器比周围的空气温度接近9华氏度。

多层材料厚度仅为1.8微米,比最薄的铝箔薄。

它由七层二氧化硅和氧化铪层组成,银层薄。这些层不是一个统一的厚度,而是设计来创建一个新的材料。它的内部结构被调整为以一定的频率辐射红外线,使得它们能够进入太空而不会使建筑物附近的空气升温。

“这种光子方法使我们能够微调太阳反射和红外热辐射,”朱晓晓说,应用物理学的博士候选人和论文的合着者。

麻省理工学院物理学教授Marin Soljacic说:“我个人对他们的成果感到非常兴奋。 “这是纳米光子技术强大的一个很好的例子。”

从原型到建筑面板

使光子辐射散热成为现实需要解决至少两个技术问题。

首先是如何将建筑物内部的热量传导至外部涂层。一旦到达那里,涂层可以将热量引导到太空,但是工程师必须首先弄清楚如何有效地将建筑热量传递到涂层。

第二个问题是生产。目前斯坦福大学的原型是个人比萨饼的大小。冷却建筑物将需要大面板。研究人员说,有大面积的制造设备可以在需要的尺度上制作面板。

宇宙冰箱

更广泛地说,团队认为这个项目是将空间冷量作为资源的第一步。就像太阳能提供可再生太阳能的方式一样,寒冷的宇宙提供了几乎无限的空间来散热。 Fan说:“每个产生热量的物体都必须将这些热量转移到散热器中。 “我们所做的是创造一种方式,让我们能够在白天利用宇宙的寒冷作为散热器。”

除了范,拉曼和朱,本文还有另外两位合着者:毕业于机械工程硕士学位的Marc Abou Anoma;还有毕业的应用物理博士生Eden Rephaeli。