Hur nästa generations tyger håller dig sval i sommarvärmen

Luftkonditionering använder svindlande 5 procent av all el som produceras i USA. Det är en enorm mängd resurser som bokstavligen går upp i varm luft varje år. Så även små framsteg som hjälper människor att hålla sig svala kan ha en viktig effekt.

Idag avslöjar Jonathan Tong och kompisar vid MIT sin inställning till problemet – designtyger som tillåter värme att stråla bort från kroppen mer effektivt.

De flesta kläder är inte bara ogenomskinliga för synligt ljus, de är också ogenomskinliga för infrarött. Detta fångar infraröd strålning, vilket gör att kroppen värms upp. Det är praktiskt när det är kallt men inte så bra när det är varmt.

Så Tong och co har kommit på en lösning. Designa ett material som är ogenomskinligt för synligt ljus men genomskinligt i infrarött.

Deras tillvägagångssätt är okomplicerat. Tong och co säger att människokroppen avger värme främst i mitten av och långt infrarött, så deras tyg bör utformas för att vara transparent i dessa delar av spektrumet.

För att få en känsla för utmaningen har de mätt överföringsegenskaperna hos vanliga klädmaterial som bomull och polyestertyger som tillsammans står för nästan 80 procent av all textilfiberproduktion. Dessa material överför endast cirka 1 procent av det infraröda ljuset som träffar dem.

Däremot överför bomull och polyester mellan 30 och 40 procent av det synliga ljuset, så de är mer genomskinliga i det visuella området än de är i det infraröda. Teamet säger att dessa material verkar ogenomskinliga eftersom de reflekterar mer ljus än de sänder och det mänskliga ögat är bara tillräckligt känsligt för att fånga upp det reflekterade ljuset. (Det är faktiskt vanligtvis lätt att se igenom dessa material om du håller upp dem för ögonen.)

Det finns två anledningar till varför bomull och polyester är så ogenomskinliga i det infraröda. Den första är att molekylerna böjs och roterar vid många infraröda frekvenser och absorberar så starkt ljus vid dessa frekvenser. Och eftersom alla tyger är många tusen molekyler tjocka, slutar nästan allt infrarött ljus med att absorberas.

För det andra är själva fibrerna ungefär lika stora som våglängden för infrarött ljus och sprider det effektivt. Detta gör att materialen reflekterar infrarött ljus starkt. Det är därför dessa material ofta ser vita ut i infraröda bilder.

Det skapar två utmaningar för Tong och co. Deras nya material måste vara betydligt mindre absorberande av infrarött ljus och de måste vara gjorda av fibrer som inte sprider det lika starkt.

Två konstgjorda material dyker genast upp. Den första är polyeten som är gjord av upprepade etenmonomerer som sammanlänkas för att bilda molekyler av olika längd. Detta har väldigt få vibrations- och rotationslägen vid infraröda frekvenser och är därför mycket mindre absorberande.

Den andra är nylon som har en liknande molekylstruktur som polyeten med tillägg av en amidkemisk grupp. Denna extra grupp gör nylon mer absorberande i det infraröda, men inte alls lika absorberande som bomull eller polyester vid det avgörande intervallet på 10 mikrometer där människokroppen utstrålar det mesta av sin värme.

Tong och co har ännu ett trick i rockärmen. De påpekar att om fibrerna blir mindre kommer de att spridas och reflektera infrarött ljus mindre starkt. Så mer infrarött ljus kommer att passera igenom.

Detta har en ytterligare fördel. Nylon och polyester släpper igenom synligt ljus ganska bra, men att minska storleken på fibrerna till det synliga ljuset gör att fibrerna sprider det kraftigare. Det bör säkerställa att dessa material ser ogenomskinliga ut för det mänskliga ögat.

Teamet fortsätter med att beräkna effekten av att bära ett nylon- eller polyestertyg tillverkat av fibrer som är en mikrometer i diameter och vävda till garn som är 30 mikrometer tjockt. Dessa beräkningar tyder på att den ökade infraröda transmittansen skulle ge motsvarande minst 23 watt kylning. Av avgörande betydelse bör dessa material fortfarande vara ogenomskinliga vid synliga våglängder.

Infrarött transparent synligt ogenomskinligt tyg ger en enkel lösning för att minska energiförbrukningen i HVAC-system genom att möjliggöra högre temperaturbörvärden under sommaren, avslutar de.

Det finns några varningar såklart. Den första är att dessa material måste färgas för estetiska ändamål innan de kan användas i stor utsträckning i detaljhandelsplagg. Effekten som dessa färgämnen skulle ha på infraröd transmittans är ännu inte klarlagd.

Vattenporositet är en annan faktor. Detta har en viktig inverkan på komforten eftersom mycket kroppskylning kommer från svettavdunstningen. Om vatten inte kan passera genom dessa material är de sannolikt obekväma att bära.

Och bärbarhet kommer att vara en viktig i sig. Dessa material måste vara mjuka att ta på och bekväma att bära, faktorer som är svåra att bedöma från en studie som denna. Sedan finns det hållbarhet och tvättbarhet – viktiga faktorer i många köpbeslut.

Slutligen är det frågan om integritet. Infraröda kameror blir allt billigare och vanligare och alla som bär dessa tyger kommer att verka mer eller mindre nakna för dessa kameror. Tong och co nämner inget om detta i sin tidning, men det kommer troligen att vara en viktig faktor i en värld där pinsamma bilder kan spridas runt om i världen på ett ögonblick.

En lösning kan vara att blanda materialet med andra vanligare, men återigen måste effekten av detta på infraröd transmittans noggrant bestämmas. Det är klart att det behövs mer arbete på alla dessa fronter.

Ändå är detta en intressant syn på ett viktigt problem som kan ha betydande inverkan på energianvändningen på platser där luftkonditionering är utbredd.

Ref: arxiv.org/abs/1507.04269 : Infraröd-transparent synligt-ogenomskinlig tyg för bärbar personlig värmehantering

Dölj