蒸発と放射冷却: 電力は必要ありません (ただし、エアロゲルはより安価になる必要があります)

2022 年 9 月 28 日、デビッド・チャンドラー

蒸発と放射が何かを冷たく保つ 2 つの方法であることはよく知られています。MITのデイビッド・チャンドラーそこの研究者がどのように実験を行ったかを説明する蒸発と輻射を絶縁体と組み合わせた3層セルで電力を必要とせずに冷却を実現 。 それは周りを提供することができます9℃の冷却これは、非常に湿気の多い条件下で約 40% 長く食品を安全に保存できる程度であり、乾燥条件下では安全な保存時間を 3 倍にすることができます。 アプリケーションは次のような用途に最適です送電網のない僻地世界だけでなく、既存のエアコンの負担を軽減 。 今後の主な課題は、エアロゲル層の製造コストが高い– ポリエチレン製のスポンジ状構造の空洞内に封入された空気の大部分からなる材料。

世界が暖かくなるにつれ、電力を大量に消費する空調システムの使用が大幅に増加すると予測されており、既存の電力網に負担がかかるそして信頼できる電力がほとんど、またはまったくない状態で多くの場所を迂回する 。 現在、MIT で開発された革新的なシステムは、受動的冷却を使用して食用作物を保存し、建物内の従来のエアコンを補う方法を提供します。電力は必要なく、水も少しだけ必要です。

システムは、放射冷却、蒸発冷却、断熱を組み合わせたもので既存のソーラーパネルに似たスリムなパッケージ、約まで提供できます周囲温度から華氏 19 度 (摂氏 9.3 度) の冷却これは、非常に湿気の多い条件下でも約 40% 長く食品を安全に保管できるのに十分です。 乾燥機条件下での安全な保管時間を 3 倍にできる可能性があります。

調査結果は本日の雑誌で報告されますセルレポート物理科学、MIT博士研究員による論文でZhengmao Lu、Arny Leroy、ジェフリー・グロスマン教授、エブリン・ワン教授 、他に2人。 システムの重要なコンポーネントのコストを下げるにはさらなる研究が必要だが、研究者らは、最終的にはそのようなシステムが重要な役割を果たす可能性があると述べている。電力や水の不足により従来の冷却システムの使用が制限されている世界の多くの地域での冷却ニーズに応えます。。

このシステムは、それぞれが限られた量の冷却能力を提供する以前のスタンドアロン冷却設計を巧みに組み合わせて、全体的に大幅に多くの冷却を生成します。すでに食糧供給が限られている世界の地域において、腐敗による食品ロスの削減に貢献する 。 その可能性を認識して、研究チームはMITの支援を受けています。アブドゥル・ラティフ・ジャミール水・食品システム研究所。

「この技術は、蒸発冷却や放射冷却などの以前の技術の優れた機能のいくつかを組み合わせたものです」とルー氏は言います。 この組み合わせを使用することで、「食品寿命を大幅に延長できることがわかりました。湿度の高い場所でも」という問題があり、従来の蒸発冷却システムや放射冷却システムの能力が制限されます。。

建物内に既存の空調システムがある場所では、新しいシステムを使用して、これらのシステムへの負荷を大幅に軽減できます。システムの最も高温の部分である凝縮器に冷水を送ります。 。 「凝縮器の温度を下げることで、エアコンの効率を効果的に高めることができ、エネルギーを節約できる可能性があります」とルー氏は言います。

他のグループもパッシブ冷却技術を追求しているが、「これらの機能を相乗的に組み合わせることで、以前の技術では一般的にうまく機能しなかった高湿度の地域でも、高い冷却性能を達成できるようになりました」と同氏は言う。

受動的冷却装置の 2 つのサンプルが MIT の 1 号館の屋上でテストされました。左側は、蒸発冷却、放射冷却、断熱を組み合わせた新しいシステムのサンプルです。 右側は比較テスト用の蒸発冷却のみを使用した装置 / 写真: Zhengmao Lu 提供

システムは以下で構成されています3層の素材これらは、水と熱がデバイスを通過するときに一緒に冷却を提供します。 実際には、このデバイスは従来のソーラーパネルに似ていますが、電気を出力する代わりに、たとえば次のような方法で直接冷却を提供します。食品保存容器の屋根として機能する 。 または、次のように使用できます。パイプを通して冷水を既存の空調システムの部品を冷却するために送ります。そしてその効率を向上させます。 唯一必要なメンテナンスは、蒸発のために水を加えますが、消費量は非常に少ないため、最も暑く乾燥した地域では約 4 日に 1 回、湿気の多い地域では月に 1 回だけ行う必要があります。。

最上層はエアロゲルです 、ポリエチレン製のスポンジ状構造の空洞に封じ込められた空気の大部分からなる材料。 材料は断熱性が高いが、水蒸気と赤外線の両方を自由に通過させます。 。 水の蒸発（下の層から上昇）は冷却力の一部を提供しますが、赤外線放射は、これらの波長における地球の大気の極めて透明度を利用して、周囲の環境に熱風を吹き出すエアコンとは異なり、熱の一部を空気中を通って空間に直接放射します。。

エアロゲルの下には、ヒドロゲルの層 — 別のスポンジ状の素材ですが、その細孔空間は空気ではなく水で満たされています。 。 これは、冷却パッドや創傷被覆材などの製品に現在商業的に使用されている素材に似ています。 これにより、その表面で水蒸気が形成され、その蒸気がエアロゲル層を通って環境中に排出されるため、蒸発冷却のための水源が提供されます。

その下には、鏡のような層が、そこに到達した太陽光を反射します。材料を加熱するのではなく、デバイスを通して熱を送り返し、熱負荷を軽減します。 また、エアロゲルの最上層は優れた断熱材であり、太陽光反射性も高く、強い直射日光下でもデバイスの太陽熱の量を制限します。

「ここでの目新しさはまさに、放射冷却機能、蒸発冷却機能、断熱機能を 1 つのアーキテクチャにまとめます。「」とルー氏は説明します。このシステムは、MIT の建物の屋上で直径わずか 4 インチの小型バージョンを使用してテストされ、最適とは言えない気象条件でもその有効性が証明され、9.3 ℃ (18.7 °F) の冷却を達成したとルー氏は言います。 ）。

」以前の課題は、蒸発材料は太陽光の吸収をうまく処理できないことが多いということでした。「これらの他の素材の場合、通常、太陽の下にあると加熱されるため、周囲温度では高い冷却力を得ることができません。」とルー氏は言います。

エアロゲル材料の特性はシステム全体の効率の鍵となりますが、現時点ではその材料の製造コストが高くなります。繊細な多孔質構造を損傷することなく溶媒をゆっくりと除去するには、臨界点乾燥 (CPD) のための特別な装置が必要です。 。 望ましい特性を提供するために制御する必要がある重要な特性は、エアロゲルの細孔のサイズこれは、ポリエチレン素材と溶剤を混合し、ゼリー状のボウルのように固まらせ、そこから溶剤を取り出すことによって作られます。 研究チームは現在、凍結乾燥などを利用してこの乾燥プロセスをより安価にする方法や、エアギャップで分離された膜など、同じ断熱機能を低コストで提供できる代替材料を見つける方法を模索している。

このシステムで使用される他の材料は容易に入手でき、比較的安価ですが、Lu 氏は次のように述べています。エアロゲルは、大量生産の観点からさらなる開発が必要な研究室での製品である唯一の材料です」 そして、このシステムが実用化されて広く使用されるようになるまでに、開発にどれくらいの時間がかかるかを予測することは不可能だと彼は言います。

この研究には「受動冷却技術の非常に興味深く斬新なシステム統合アプローチを示している」と、この研究には関与していないパデュー大学機械工学教授のシューリン・ルアン氏は言う。 ルアン氏はさらに、「蒸発冷却、放射冷却、断熱材を組み合わせることで、冷却性能が向上し、蒸発冷却や放射冷却単独よりも幅広い気候で効果を発揮することができます。この研究は、次のような重要な実用化を呼び込む可能性があります。」システムが合理的なコストで作成できれば、食品の保存に役立ちます。」

研究チームには、マサチューセッツ工科大学機械工学部のレナン・チャン氏と材料科学工学部のジャティン・パティル氏が含まれていました。

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デビッド・チャンドラーの研究所のライターですと

の許可を得て転載マサチューセッツ工科大学ニュース

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