Ett material som kastar värme i rymden kan snart återuppfinna luftkonditioneringen

James Temple

Eli Goldstein, en nybliven medgrundare av SkyCool Systems, öppnade garagedörren på sidan av Stanford spinouts trånga arbetsyta i Burlingame, Kalifornien, och rullade in en uppsättning fyrkantiga silverpaneler på parkeringsplatsen.

De var lutade mot solen, täckta av vad som såg ut som perfekt veckfri aluminiumfolie och fästa på en metallram som rymmer en rad rör, rör och termometrar.

Temperaturerna nådde 104 ˚F på San Francisco-halvön den dagen, början på en sällsynt och brännande värmebölja i Bay Area. Att kliva framför panelerna kändes som att gå förbi en öppen ugn.

Vilket är just poängen. SkyCools paneler är i huvudsak högteknologiska speglar, designade för att kyla byggnader mycket mer effektivt än traditionella luftkonditioneringssystem genom att utnyttja en udda egenhet av optik som tillåter ett smalt band av strålning att fly ut i rymden (se The Sky May Hold the Secret to Efficient Luftkonditionering ). Beroende på applikation och klimatförhållanden kan tekniken minska energin som används för att kyla strukturer med 10 till 70 procent, vilket minskar ett av de största enskilda kraven på det amerikanska nätet och minskar utsläppen av växthusgaser i enlighet därmed.

Att förstå hur det fungerar kräver lite bakgrund. Alla föremål avger värme i form av infraröd strålning, en osynlig form av ljus precis till höger om rött på spektrumet. Poängen med jackor, vantar och halsdukar är att behålla så mycket av den strålningsvärmen som möjligt och hålla oss varma på vinterdagar. Atmosfären i sig, främst i form av vattenmolekyler, strålar också tillbaka en del av värmen.

Men en bit av emissioner i det mellaninfraröda området (med våglängder mellan åtta och 13 mikrometer, för de som håller poängen) slinker igenom och flyr genom vad som har beskrivits som en fönster ut i rymden . Material som avger strålning i det intervallet kastar den bokstavligen in i de kalla vidderna av rymden, eller åtminstone den svala övre atmosfären, vilket gör att ytorna själva kan sjunka under temperaturen på den omgivande luften. Detta naturfenomen är det som gör att frost bildas på ytor under den öppna natthimlen, som bilrutor och grässtrån, även när temperaturen inte når minusgrader.

En kritisk utmaning för att utnyttja denna mekanism på användbara sätt har varit att värmen från solen under dagen i allmänhet kompenserar för eventuell kyleffekt. Men i forskning som först publicerades i Natur i slutet av 2014 löste forskarna bakom SkyCool Systems det problemet genom att utveckla ett avancerat material som är inställt för att stråla ut infrarött ljus inom området som glider genom atmosfären samtidigt som det reflekterar bort 97 procent av solljuset. Placerat på ett tak i direkt solljus förblev materialet 4,9 ˚C under omgivande lufttemperatur, en kyleffekt på 40,1 watt per kvadratmeter.

Tre av forskarna som var involverade i detta arbete var med och grundade SkyCool Systems i våras i ett försök att kommersialisera tekniken. Goldstein är startupens tekniska chef; Aaswath Raman, huvudförfattare till originaltidningen och en av MIT Technology Review s 35 innovatörer under 35 år 2015, fungerar som verkställande direktör; och Shanhui fläkt , en Stanford-professor i elektroteknik, fungerar som rådgivare.

SkyCools passiva radiativa kylpaneler utvärderas i ett fältförsök i Davis, Kalifornien.

Förra veckan publicerade forskarna en uppföljning papper i Naturenergi , vilket visar att en uppskalad version av tekniken kan användas för att kyla strömmande vatten. Genom att sätta upp paneler med tunna vattenrör som löper direkt under dem, sänkte forskarna temperaturen på vattnet med 5 ˚C under tre dagars testning. Resultatet tyder på att tekniken kan införlivas i befintliga kylmekanismer genom att ersätta eller utöka kondensorkomponenten som används i konventionell luftkonditionering och kylning. Genom modellering visade forskarna att en integrering av tekniken i en tvåvånings kontorsbyggnad i Las Vegas skulle minska elbehovet för kylning med 21 procent under sommaren.

Möjligheten att bygga om systemet i befintliga byggnader, vilket sänker kostnaderna för ägare och hyresgäster, innebär att den potentiella marknaden är enorm. Cirka 14 procent av den totala energiproduktionen i USA går till att kyla bostäder och kommersiella byggnader. Department of Energys moonshot ARPA-E-program, som tillhandahållit 3 miljoner dollar till SkyCool-forskarna 2012 fann att avancerade radiativa kylpaneler kunde minska 10 till 20 procent av denna användning och minska toppbelastningskraven på elnätet.

Men mycket större energibesparingar kan vara möjliga för utvecklare som väljer att införliva radiativa kylsystem direkt i nya byggnader under designfasen, säger Nick Fernandez, energianalytiker vid Pacific Northwest National Laboratory. Om systemet var kopplat till ett hydroniskt strålande kylsystem – ett sällsynt men mycket effektivt sätt att kyla byggnader som fungerar genom att cirkulera vatten istället för att blåsa luft – skulle energibesparingarna för uppvärmning, kyla och ventilation kunna nå nästan 70 procent under idealiska klimatförhållanden , enligt en simuleringsanalys publicerades 2015 , där Fernandez var huvudförfattare.

SkyCool är inte det enda företaget som letar efter denna marknad. I februari publicerade ett team av ingenjörer vid University of Colorado, Boulder, en papper i Vetenskap beskriver ett glas-polymer-hybridmaterial som uppnådde en strålningseffekt på 93 (watt per kvadratmeter) vid middagstid under direkt solsken. Forskarna betonade att de redan har räknat ut hur man billigt kan tillverka rullar av det filmliknande materialet, vilket gör det till en potentiellt gångbar storskalig teknologi för både bostäder och kommersiella tillämpningar, enligt till en universitetspublikation.

Liksom Stanford-teamet samlade CU Boulder-forskarna in pengar från ARPA-E, ansökte om ett patent och bildade ett företag, Radi-Cool. Forskarna är i samtal med potentiella investerare och tillverkare, säger Ronggui Yang, professor i maskinteknik, som är medförfattare till tidningen och tillförordnad VD för startupen.

SkyCools forskare, som har säkrat en begränsad mängd ytterligare federal och privat finansiering, fortsätter att förbättra effektiviteten hos de avancerade materialen. Raman, startupens VD, avböjer att diskutera eventuell produktprissättning, men han tror att alla initiala kostnader kommer att kompenseras av långsiktiga energibesparingar. Om en takradiator av den typ som SkyCool utvecklar skulle kunna produceras och installeras för mindre än 58 cent per kvadratfot, skulle energibesparingarna täcka dessa kostnader inom cirka fem år, uppskattade Pacific Northwest Lab-studien.

Företaget genomför ett fältförsök av sin senaste generation av paneler i Davis, Kalifornien, cirka två timmar från Burlingame i Central Valley, och utvärderar tekniken som ett sätt att utöka både luftkonditioneringssystem och kommersiella kylsystem.

SkyCools nästa stora milstolpe blir en storskalig demonstration med en tidig kund eller partner, som Raman och Goldstein hoppas kunna påbörja nästa år. De riktar sig till företag med stora kylbehov, som stormarknader och datacenter, där eventuella energibesparingar snabbt ökar. Samtal med potentiella kunder har redan börjat.

Dölj