Nanoparticulate selective emitters for effective radiative cooling in urban heat islands
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नैनोपार्टिकुलेट चयनात्मक उत्सर्जक (Nano-SEs), घने शहरी परिदृश्यों की विशिष्ट सीमित स्काई व्यू फैक्टर्स के तहत कम सतह तापमान प्राप्त करके, शहरी हीट आइलैंड्स को कम करने में ब्रॉडबैंड विकल्पों की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करते हैं, जिससे शहरी थर्मल लचीलेपन को बढ़ाने के लिए एक स्केलेबल समाधान मिलता है।
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शहर अक्सर अपने आसपास के ग्रामीण इलाकों की तुलना में काफी गर्म होते हैं, यह एक ऐसी घटना है जिसे 'अर्बन हीट आइलैंड इफेक्ट' (शहरी ऊष्मा द्वीप प्रभाव) के रूप में जाना जाता है। यह अतिरिक्त गर्मी सूरज द्वारा इमारतों और सड़कों को गर्म करने से आती है, जो फिर उस संचित ऊर्जा को वापस हवा में प्रसारित करती हैं, जिससे एक फीडबैक लूप बन जाता है जो शहरों को ठंडा करना कठिन और रहना अधिक महंगा बना देता है। बिजली का उपयोग किए बिना इस लड़ाई को लड़ने का एक आशाजनक तरीका 'रेडिएटिव कूलिंग' (विकिरण शीतलन) है। यह प्रक्रिया इस तरह काम करती है कि एक सतह अपनी गर्मी को सीधे अंतरिक्ष के ठंडे निर्वात में उत्सर्जित कर देती है। वायुमंडल इस गर्मी के लिए एक खिड़की की तरह कार्य करता है, जो तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ्स) के एक विशिष्ट बैंड के माध्यम से इन्फ्रारेड विकिरण को गुजरने देता है जबकि अन्य पर इसे रोकता है। यदि कोई सामग्री इस वायुमंडलीय खिड़की के माध्यम से गर्मी को मजबूती से उत्सर्जित कर सकती है और सूर्य के प्रकाश को परावर्तित कर सकती है, तो सैद्धांतिक रूप से वह आसपास की हवा गर्म होने पर भी खुद को ठंडा रख सकती है।
वर्षों तक, वैज्ञानिक इन शीतलन सामग्रियों को बनाने के सर्वोत्तम तरीके पर बहस करते रहे हैं। कुछ डिजाइन "ब्रॉडबैंड" (व्यापक बैंड) होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला में गर्मी उत्सर्जित करते हैं। अन्य "सिलेक्टिव" (चयनात्मक) होते हैं, जिन्हें केवल उस विशिष्ट वायुमंडलीय खिड़की के माध्यम से गर्मी उत्सर्जित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जबकि अन्य सभी तरंग दैर्ध्य पर गर्मी को परावर्तित करते हैं। खुले, ग्रामीण क्षेत्रों में जहाँ आकाश अबाधित होता है, पिछले शोध ने सुझाव दिया था कि सरल ब्रॉडबैंड डिजाइनों की तुलना में जटिल चयनात्मक डिजाइन केवल एक मामूली लाभ प्रदान करते हैं। इससे कई लोग यह मानने लगे कि चयनात्मक उत्सर्जकों (सिलेक्टिव एमिटर्स) को बनाने के अतिरिक्त प्रयास सार्थक नहीं हैं। हालांकि, यह निष्कर्ष एक स्पष्ट आकाश के दृश्य की धारणा पर आधारित था, जो एक आधुनिक शहर की घनी, गलियों जैसी संरचनाओं में शायद ही कभी मौजूद होता है।
यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह दिखाया है कि शहरी छतों की वास्तविक दुनिया में, चयनात्मक उत्सर्जक कहीं अधिक श्रेष्ठ हैं। उन्होंने पाया कि जब एक शीतलन सतह गर्म इमारतों से घिरी होती है, तो सरल ब्रॉडबैंड सामग्रियां दीवारों से निकलने वाली अनचाही गर्मी को अवशोषित कर लेती हैं, जिससे वे गर्म हो जाती हैं। इसके विपरीत, चयनात्मक उत्सर्जक इमारतों की उस बिखरी हुई गर्मी को परावर्तित करते हैं जबकि अपनी गर्मी को अंतरिक्ष में जाने देते हैं। इसे सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार की सामग्री विकसित की जिसे 'नैनोपार्टिकुलेट सिलेक्टिव एमिटर' कहा जाता है। जटिल, कठोर परतों का उपयोग करने के बजाय जिन्हें बनाना कठिन है, उन्होंने सिलिकॉन ऑक्सीनाइट्राइड के सूक्ष्म कण बनाए। इन कणों को एक छिद्रपूर्ण, स्पंज जैसी संरचना के साथ इंजीनियर किया गया था ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि निर्माण के दौरान उन्हें पूरी तरह से परिवर्तित किया जा सके, जिससे उनमें वायुमंडलीय खिड़की के माध्यम से ही गर्मी उत्सर्जित करने की सटीक क्षमता आ सके।
शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों का परीक्षण दो बहुत अलग सेटिंग्स में किया। सबसे पहले, उन्होंने लंदन में एक छत पर इन्हें रखा जहाँ आकाश का स्पष्ट दृश्य था। जैसा कि अपेक्षित था, चयनात्मक उत्सर्जकों ने ब्रॉडबैंड वाले पदार्थों के लगभग समान प्रदर्शन किया, जिससे सतह का तापमान परिवेशी वायु के तापमान से कुछ डिग्री कम हो गया। इसने पुष्टि की कि खुले स्थानों में, चयनात्मक उत्सर्जकों की अतिरिक्त जटिलता कोई बड़ा लाभ नहीं देती है। कहानी पूरी तरह से बदल गई जब उन्होंने एक सघन शहरी वातावरण का अनुकरण किया। उन्होंने एक परीक्षण सेटअप तैयार किया जहाँ शीतलन नमूनों को गर्म दीवारों से घेरा गया था, जो ऊंची इमारतों के गर्म अग्रभागों (फसाड्स) की नकल करता है जो आकाश के दृश्य को बाधित करते हैं। इस परिदृश्य में, ब्रॉडबैंड सामग्रियां प्रभावी ढंग से ठंडा करने में विफल रहीं, क्योंकि वे अक्सर दीवारों से निकलने वाली गर्मी को अवशोषित कर लेती थीं और आसपास की हवा से भी अधिक गर्म हो जाती थीं। हालांकि, चयनात्मक उत्सर्जकों ने ठंडा करना जारी रखा और वे ब्रॉडबैंड संस्करणों की तुलना में काफी ठंडे रहे।
परिवेशी गर्मी बढ़ने के साथ चयनात्मक डिजाइन का लाभ भी बढ़ता गया। जब शोधकर्ताओं ने 40 से 80 डिग्री सेल्सियस के बीच गर्म दीवारों का अनुकरण किया, तो चयनात्मक उत्सर्जक ब्रॉडबैंड वाले पदार्थों की तुलना में 5 डिग्री सेल्सियस तक ठंडे रहे। यहाँ तक कि अत्यधिक सिम्युलेशन में, जहाँ गर्मी का स्रोत 500 डिग्री सेल्सियस तक पहुँच गया, अंतर और भी बढ़ गया। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि बहुत गर्म वस्तुओं से निकलने वाली गर्मी छोटी तरंग दैर्ध्य की ओर स्थानांतरित हो जाती है जो वायुमंडलीय खिड़की से बाहर होती है; चयनात्मक सामग्री स्वाभाविक रूप से इस गर्मी को अस्वीकार कर देती है, जबकि ब्रॉडबैंड सामग्री इसे अवशोषित कर लेती है। टीम ने अपनी सामग्री के दो संस्करण भी बनाए: एक जो अपारदर्शी छतों के उपयोग के लिए सूर्य के प्रकाश को परावर्तित करता है, और दूसरा जो खिड़कियों या ग्रीनहाउस के उपयोग के लिए सूर्य के प्रकाश के प्रति पारदर्शी है। दोनों संस्करणों ने गर्म परिवेश से गर्मी को अस्वीकार करने और अपनी गर्मी को दूर प्रसारित करने की अपनी क्षमता बनाए रखी।
लंदन के वास्तविक लेआउट पर आधारित कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करते हुए, टीम ने अनुमान लगाया कि क्या होगा यदि पूरे शहर के ब्लॉकों को इन सामग्रियों से ढक दिया जाए। कम ऊंचाई वाले क्षेत्रों में, दोनों प्रकार की सामग्रियां अच्छी तरह से काम करती हैं। लेकिन गगनचुंबी इमारतों वाले उच्च-स्तरीय जिलों में, जहाँ आसमान का दृश्य काफी हद तक अवरुद्ध होता है, वहां ब्रॉडबैंड सामग्रियां छतों को ठंडा रखने में संघर्ष करती हैं। हालाँकि, चयनात्मक उत्सर्जकों ने पूरे जिले में कम तापमान बनाए रखा, जिससे इमारतों द्वारा फंसी गर्मी का प्रभावी ढंग से मुकाबला किया जा सका। यह कार्य बताता है कि जबकि खुले स्थानों के लिए सरल शीतलन सामग्रियां पर्याप्त हो सकती हैं, सघन शहरों की अनूठी चुनौतियों के लिए चयनात्मक उत्सर्जकों की सटीकता की आवश्यकता होती है। पड़ोसी इमारतों से निकलने वाली गर्मी को अस्वीकार करके और अपनी गर्मी को ठंडे ब्रह्मांड में छोड़कर, ये नई नैनोकण-आधारित सामग्रियां भविष्य के शहरों को अधिक रहने योग्य और ऊर्जा-कुशल बनाने का एक स्केलेबल और व्यावहारिक तरीका प्रदान करती हैं।
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