Jak se ochladit na slunci? S pomocí okna do vesmíru (I. část)

Na střeše obchodu Howarda Bisla v kalifornském Sacramentu už téměř tři roky stojí fyzikální zvlášnost: panely, které zůstávají chladnější než jejich okolí, dokonce i pod planoucím horkým sluncem, aniž spotřebovávají energii.

Jsou potažené tenkou chladicí fólií, pod nimi se pak táhnou desítky metrů trubek s chladicí kapalinou, kterou rozvádí do obchodu. „Ani v horkém dni nejsou horké,“ řekl Bisla na sklonku roku 2019 časopisu Nature.

Panely vznikly díky práci vědců ze Stanfordské univerzity v Kalifornii. V roce 2014 tamní tým oznámil, že vytvořil nový materiál s vlastnostmi, které v přírodě nenajdete (někdy se pro takové materiály používá označení metamateriál). Dva členové původního týmu, Shanhui Fan a Aaswath Raman, pak s dalším kolegou Elim Goldsteinem založili start-up SkyCool Systems – firmu, která nakonec Bislovi dodala jeho panely. Od té doby firma ve spolupráci s dalšími vědci vytvořila celou řadu dalších materiálů, jež s původním vzorkem sdílejí neobyčejnou vlastnost, že zůstávají v chladu i na přímém světle: speciálních „chladných“ nátěrů, barev i speciálně ošetřeného dřeva.

Panely na střeše obchodu Howard Bisla v kalifornském Sacramentu (kredit: Jyotirmoy Mandal)
Panely na střeše obchodu Howard Bisla v kalifornském Sacramentu (kredit: Jyotirmoy Mandal)

Všechny tyto materiály se spoléhají na již dlouho známý mechanismus, známý jako sálání proti obloze. Každý člověk, budova a objekt na Zemi vyzařuje teplo, ale naše atmosféra se chová jako deka, záření z velké části zachycuje, a teplo tedy zadržuje. Ovšem ne zcela všechno: Infračervené paprsky o vlnové délce 8 až 13 mikrometrů procházejí zemskou atmosférou lépe než záření v jiných oblastech. Naše atmosféra je pro ně velmi dobře průhledná, a tak snadno unikají do chladného vesmíru.

Praktické využití jevu omezuje fakt, že sálání je v případě běžných materiálů možné pouze v noci. Ve dne na povrch dopadá mnohem více slunečního světla, než kolika je možné se zbavit sáláním, a tak celková bilance vychází nepříznivě: běžné materiály se prostě na slunečním světle zahřívají.

To u nových nových – někteří vědci říkají „superchladivých“ – materiálů neplatí. Jejich podstata je přitom jednoduchá: v podstatě jde o materiály, které odrážejí co nejvíce světla ve všech oblastech spektra mimo 8–13 µm části infračerveného spektra. To jen proto, aby se na běžném světle tento materiál nezahříval příliš. Ve vybrané oblasti naopak teplo z okolí přímo „hltá“. Ovšem pouze proto, aby ho pak mohl vyzářit přímo do vesmíru, samozřejmě za podmínky, že panely jsou pod širým nebem a namířeny do vesmíru.

Díky tomu mohou zůstávat i během dne o několik stupňů chladnější než okolní vzduch (v noci je efekt je větší). V suchých a horkých oblastech může být rozdíl až 10 °C. V oblastech s vyšší vzdušnou vlhkostí (tedy třeba i v České republice) je rozdíl teplot menší, protože část unikajícího tepla zachycuje vodní pára v atmosféře.

Z opačného konce

Hledání sálavých materiálů použitelných i ve dne začalo v hlavě Aaswatha Ramana v roce 2012. Pracoval na své dizertaci o materiálech vhodných pro získávání energie ze slunce, když narazil na práce o této problematice. Když zjistil, že se tématu nikdo příliš nevěnoval, rozhodl se alespoň přibližně spočítat, jaké by musely být vlastnosti materiálu, který by dokázal vyzařovat teplo i během dne.

Zjistil, že aby více tepla ztrácel než vyzařoval, musí pohlcovat méně tepla než běžná bílá barva a odrážet alespoň 94 % dopadajícího slunečního záření v rozsahu od 200 nanometrů do 2,5 mikrometrů. Ve „vyzařovacím“ pásmu 8–13 mikrometrů musí být účinnost pohlcování i vyzařování téměř stoprocentní. Stačí jen o něco méně a materiál se bude ohřívat.

Po diskuzi s dalším budoucím kolegou ze start-upu, Shanhuiem Fanem, dospěli oba mladíci k závěru, že takový materiál je možné vyrobit. Musí být ovšem být pečlivě navržený na mikroskopické úrovni: musí mít totiž „nanostruktury“ takových rozměrů, aby umožnily průchod jen světla těch vlnových délek, které má materiál pohlcovat. Skupina teoreticky spočítala, jak by povrch takového materiálu mohl vypadat, a v roce 2013 své výsledky publikovala v odborném časopise Nano Letters.

Vědci se pokusili získat prostředky na praktický pokus a podali si projekt k agentuře ARPA-E. Jde o malou americkou státní agenturu na podporu „šílených“ nápadů v oblasti energetiky. ARPA-E nemá na poměry amerického státního rozpočtu k dispozici velké prostředky, cca kolem 360 milionů dolarů (9 mld. korun) ročně. Je ovšem ochotna financovat i velmi riskantní projekty, pokud se zdá, že by mohly mít v budoucnosti značný ekonomický či technologický dopad.

Raman a Fan narazili v agentuře na pochopení a dostali 400 tisíc dolarů a rok na to, aby materiál sestrojili. Aby se vešli do rozpočtu, vědci materiál proti původního návrhu výrazně zjednodušili a sáhli po osvědčených materiálech. Složili do sendviče materiály silně odrazivé (z oxidu hafničitého) a méně odrazivé vrstvy (ze skla). Jejich pořadí i tloušťka a množství byly nastaveny tak, aby materiál odrážel co nejvíce světla mimo danou oblast.

Prototyp skutečně fungoval: při slunečním příkonu kolem 850 W/m2 byl o 5 °C chladnější než okolní vzduch. Nejde o nijak úžasné hodnoty, protože 850 W/m2 je méně, než kolik dopadá na povrch v našich zeměpisných šířkách během letního poledne; na povrch totiž může dopadat až zhruba 1000 W/m2. Přesto šlo o důkaz, že v principu je chlazení sáláním možné i ve dne, a ARPA-E tak v následujících letech financovala ještě další podobné projekty.

O těch si můžete přečíst více v další části článku. Konec I. části.

Související články

Vložit komentář...