Passiv utstrålande kylning kan styras elektriskt

Ett energieffektivt sätt att kyla byggnader och fordon kommer att krävas i ett förändrat klimat. Forskare vid Linköpings universitet visar nu att elektrisk styrning av passiv utstrålande kylning kan användas för att reglera temperaturen hos ett material vid normala temperaturer och lufttryck. Resultaten är publicerade i Cell Reports Physical Science.

– För att kyla till exempel byggnader används idag främst traditionell luftkonditionering som kräver både stora mängder energi och använder miljöfarliga kylmedier. Men med hjälp av passiv utstrålande kylning skulle rymdens kyla kunna användas för att komplettera vanlig AC och minska energiförbrukningen, säger Magnus Jonsson, professor och ledare för gruppen för Organisk Fotonik och Nanooptik vid Linköpings universitet.

Passiv utstrålande kylning, eller ”passive radiative cooling” på engelska, innebär att energi lämnar ett objekt i form av infraröd värmestrålning. Alla objekt avger infraröd värme – träd, byggnader, vatten och även vi människor.

Olika typer av material avger olika mängd infraröd värme. Det beror på materialets förmåga att ta upp infraröd värmestrålning – ju bättre det är på att ta upp infraröd värme desto bättre är materialet också på att avge värmen. Som vanligt vitt skrivpapper, det är bra på att ta upp infraröd värme och därmed avge densamma. Däremot är metaller i stället ganska dåliga då den mesta av värmen reflekteras.

Tack vare atmosfärens förmåga att släppa igenom ljus i just det infraröda våglängdsområdet kan man använda rymdens kyla, cirka –270 grader Celsius, för att avlägsna värmen från jorden. I och med temperaturskillnaden kan det bli det en nettotransport ut. Ett objekt kan därför få lägre temperatur än omgivningen endast med hjälp av passiv utstrålande kylning.

Den här effekten har använts långt tillbaka i historien för att till exempel tillverka is i varmare klimat. Men på senare år har materialforskningen intresserat sig alltmer för fenomenet och utvecklat nya material som har en hög förmåga att avge infraröd värme och samtidigt inte värmas upp av solens strålar.

Nu har forskare vid Linköpings universitet visat att temperaturen hos ett material kan regleras genom att elektriskt styra till vilken grad det avger värme genom passiv utstrålande kylning. Konceptet använder en ledande polymer för att elektrokemiskt styra emissiviteten hos materialet. Resultaten är publicerade i tidskriften Cell Reports Physical Science.

– Man kan jämföra det med en termostat. I dagsläget lyckas vi justera temperaturen med 0,25 grader Celsius. Det kanske inte låter som mycket men poängen är att vi lyckats visa att det går att göra den här styrningen vid rumstemperatur och normalt tryck, säger Debashree Banerjee, förste forskningsingenjör vid Linköpings universitet och huvudförfattare av studien.

Forskarna menar att nu när de visat att det går att göra finns potential att utveckla både material och metod vidare. På sikt kan man tänka sig material som kan läggas på ett tak, ungefär som en solcell, och på så vis styra den infraröda värmestrålningen från huset och kyla när det behövs. Metoden kräver extremt lite energiförbrukning och orsakar minimalt med föroreningar. På ännu längre sikt kan tillämpningsområden också inkludera kläder och tapeter för att även inomhus reglera temperaturer och hur omgivningens temperatur upplevs.

Samma forskargrupp har i en annan studie publicerad i Advanced Science utvecklat ett termoelektriskt system som utnyttjar samma princip. Där används temperaturskillnaden mellan två cellulosamaterial där det ena är infärgat med svart kol och därmed också tar upp solens värme. Materialen är sammankopplade med ett material som omvandlar temperaturskillnaden till en elektrisk potential. När apparaten exponeras mot himlen skapas en elektrisk spänning på 60mV vid måttlig solstrålning, men konceptet fungerar även på natten tack vare att de båda träbaserade materialen designats för att ha olika förmåga att utstråla värme.

– Vi använder inte bara solen utan även rymden som energikälla, säger Mingna Liao som är doktorand i gruppen och huvudförfattare till artikeln in Advanced Science.

För att kunna utföra kontrollerade mätningar, för båda studierna, byggde forskarna en himmelssimulator. På så sätt påverkades mätningarna inte av förändringar i omgivningen på samma sätt som utomhus. Himmelssimulatorn består av ett rör med aluminiumbeklädda sidor som reflekterar strålningen. I botten placeras ett kärl med ett material som absorberar värmestrålningen och som är nedkylt med flytande kväve för att simulera yttre rymdens kyla.

Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Wallenberg Wood Science Center, Totalförsvarets forskningsinstitut – FOI, Vetenskapsrådet samt det strategiska forskningsområdet för avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

Artikel: Electrical Tuning of Radiative Cooling at Ambient Conditions Debashree Banerjee, Tomas Hallberg, Shangzhi Chen, Chaoyang Kuang, Mingna Liao, Hans Kariis and Magnus P. Jonsson, Cell Reports Physical Science 2023, publicerad online 1 februari 2023, DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101274

Artikel: Cellulose-based radiative cooling and solar heating powers ionic thermoelectrics Mingna Liao, Debashree Banerjee, Tomas Hallberg, Christina Akerlind, Md Mehebub Alam, Qilun Zhang, Hans Kariis, Dan Zhao and Magnus P. Jonsson, Advanced Science 2023, publicerad online 18 januari 2023 DOI: 10.1002/advs.202206510

Kontakt

Magnus Jonsson, professor, magnus.jonsson@liu.se, 011-36 34 03