Nanoparticulate selective emitters for effective radiative cooling in urban heat islands
Deze studie toont aan dat nanoparticulair selectieve emittenten (Nano-SE's) breedbandalternatieven aanzienlijk overtreffen bij het verzachten van stedelijke warmte-eilanden door lagere oppervlakte temperaturen te bereiken onder de beperkte hemelzichtfactoren die typerend zijn voor dichte stedelijke gebieden, waardoor zij een schaalbare oplossing bieden voor het vergroten van de stedelijke thermische veerkracht.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Steden zijn vaak aanzienlijk warmer dan het omliggende platteland, een fenomeen dat bekend staat als het stedelijk hitte-eilandeffect. Deze extra warmte komt voort uit de zon die gebouwen en wegen opwarmt, die die opgeslagen energie vervolgens weer uitstralen naar de lucht, wat een feedbackloop creëert die steden moeilijker af te koelen maakt en duurder om in te leven. Eén veelbelovende manier om dit te bestrijden zonder elektriciteit te gebruiken, is radiatieve koeling. Dit proces werkt door een oppervlak zijn warmte rechtstreeks naar het koude vacuüm van de ruimte te laten uitstralen. De atmosfeer fungeert als een venster voor deze warmte, waarbij infrarode straling door een specifieke band van golflengten doorlaat terwijl het deze bij andere golflengten blokkeert. Als een materiaal warmte sterk kan uitzenden via dit atmosferische venster en zonlicht kan reflecteren, kan het theoretisch zichzelf afkoelen, zelfs wanneer de lucht rondom het heet is.
Jarenlang hebben wetenschappers gedebatteerd over de beste manier om deze koelmaterialen te bouwen. Sommige ontwerpen zijn "breedbandig", wat betekent dat ze warmte uitzenden over een breed scala aan infrarode golflengten. Anderen zijn "selectief", ontworpen om warmte alleen door dat specifieke atmosferische venster uit te zenden terwijl ze warmte bij alle andere golflengten reflecteren. In open, landelijke gebieden waar de hemel onbelemmerd is, suggereerde eerder onderzoek dat de complexere selectieve ontwerpen slechts een minuscuul voordeel boden ten opzichte van de eenvoudigere breedbandige ontwerpen. Dit leidde velen tot de overtuiging dat de extra inspanning om selectieve emittenten te maken het niet waard was. Deze conclusie ging echter uit van een helder zicht op de hemel, een conditie die zeljaamlijkest een voorkomt in de dichte, canyon-achtige straten van een moderne stad.
Een team onderzoekers van University College London en andere instellingen heeft nu aangetoond dat in de echte wereld van stedelijke daken selectieve emittenten superieur zijn. Ze ontdekten dat wanneer een koelend oppervlak wordt omringd door warme gebouwen, de eenvoudige breedbandige materialen de ongewenste warmte absorberen die van die muren uitstraalt, waardoor ze opwarmen. Selectieve emittenten daarentegen reflecteren die restwarmte van de gebouwen terwijl ze nog steeds hun eigen warmte naar de ruimte laten ontsnappen. Om dit te bewijzen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuw type materiaal genaamd een nanoparticulair selectieve emittent. In plaats van complexe, rigide lagen te gebruiken die moeilijk te produceren zijn, creëerden ze minuscule deeltjes van siliciumoxynitride. Deze deeltjes werden ontworpen met een poreuze, sponsachtige structuur om ervoor te zorgen dat ze tijdens de productie volledig kunnen worden omgezet, wat hen het perfecte vermogen geeft om warmte alleen door het atmosferische venster uit te zenden.
De onderzoekers testten deze materialen in twee zeer verschillende omgevingen. Eerst plaatsten ze ze op een dak in Londen met een helder zicht op de hemel. Zoals verwacht presteerden de selectieve emittenten bijna hetzelfde als de breedbandige, waarbij ze het oppervlak enkele graden onder de omgevingstemperatuur koelden. Dit bevestigde dat in open ruimtes de extra complexiteit van selectieve emittenten geen groot voordeel biedt. Het verhaal veranderde echter volledig toen ze een dichte stedelijke omgeving simuleerden. Ze zetten een test op waarbij de koelmonsters werden omringd door verhitte muren, wat de hete gevels van hoge gebouwen nabootst die het zicht op de hemel blokkeren. In dit scenario faalden de breedbandige materialen om effectief te koelen, omdat ze vaak warmer werden dan de omgevingslucht omdat ze de warmte van de muren absorbeerden. De selectieve emittenten bleven echter koelen en bleven aanzienlijk koeler dan de breedbandige versies.
Het voordeel van het selectieve ontwerp groeide naarmate de omgevingswarmte toenam. Wanneer de onderzoekers muren simuleerden die verhit waren tot temperaturen tussen de 40 en 80 graden Celsius, bleven de selectieve emittenten tot wel 5 graden Celsius koeler dan de breedbandige versies. In zelfs extremere simulaties, waarbij de warmtebron temperaturen van 500 graden Celsius bereikte, werd het gat groter. Dit gebeurt omdat de warmte die van zeer hete objecten uitstraalt verschuift naar kortere golflengten die buiten het atmosferische venster vallen; het selectieve materiaal wijst deze warmte van nature af, terwijl het breedbandige materiaal deze absorbeert. Het team creëerde ook twee versies van hun materiaal: één die zonlicht reflecteert voor gebruik op ondoorzichtige daken, en een andere die transparant is voor zonlicht voor gebruik op ramen of kassen. Beide versies behielden hun vermogen om warmte van hete omgevingen af te wijzen en hun eigen warmte weg te stralen.
Met behulp van computermodellen gebaseerd op de werkelijke lay-out van Londen, projecteerde het team wat er zou gebeuren als hele stadblokken met deze materialen zouden worden bedekt. In laagbouwgebieden werkten beide typen materialen goed. Maar in de hoogbouwdistricten, waar het zicht op de hemel zwaar wordt geblokkeerd door wolkenkrabbers, hadden de breedbandige materialen moeite om de daken koel te houden. De selectieve emittenten behielden echter lagere temperaturen over het hele district, waardoor ze de door gebouwen gevangen hitte effectief tegengingen. Dit werk suggereert dat hoewel eenvoudige koelmateriaal misschien voldoende is voor open ruimtes, de unieke uitdagingen van dichte steden de precisie van selectieve emittenten vereisen. Door de warmte die van naburige gebouwen uitstraalt af te wijzen en alleen hun eigen warmte naar het koude universum te laten ontsnappen, bieden deze nieuwe op nanopartikels gebaseerde materialen een schaalbare en praktische manier om toekomstige steden leefbaarder en energie-efficiënter te maken.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.