放射マントは物体を暖かく、冷たく保ちます

暑い時には物体を放射冷却し、寒い時には保温できるサーマルクロークが中国の研究者によって開発された。 上海交通大学のKehang Cui氏らは、彼らの新技術はエネルギーを投入せずに温度を調節する有望な方法を提供すると述べている。

建物の冷暖房は世界のエネルギー消費の約 20% を占めています。 気候変動により異常気象の頻度と激しさが増すにつれ、温度管理システムは今後数十年間でさらに限界に達することになるでしょう。

その結果、研究者たちは、電源を供給せずに受動的に温度を調整できる低コストのカーボンニュートラル技術の開発に熱心に取り組んでいます。

このようなシステムを作成する際の重要な課題は、従来の熱調節材料では放射挙動を自動的に切り替えることができないことです。 たとえば、一部の冷却材は太陽放射を反射し、「透明窓」で中赤外線を放射します。 この窓は電磁スペクトルの一部であり、放射線が大気によって反射または吸収されず、この放出が冷却効果をもたらします。 ただし、これらの材料は低温でも放射線を放出し、貴重な熱を捨ててしまいます。

今回、崔氏らは、あらゆる周囲温度で温度を調節する新しい「ヤヌス・サーマル・クローク」（JTC）を開発した。 「マントは、空に面したオールセラミックの放射冷却フォノニックメタファブリックと、内側に面したフォトンリサイクルフォイルで構成されています」とキュイ氏は説明する。

チームは、高い強度と安定性、低コスト、そして優れた耐火性と耐腐食性を理由にこれらの材料を選択しました。 その結果、このマントは製造が容易で、屋外の厳しい環境にも耐えられるという。

アルミニウム合金で作られた JTC の内側フォイルは熱伝導率が高いですが、赤外線スペクトル全体にわたって放射をほぼ完全に反射し、熱を内部に閉じ込めます。 研究者らは、材料の入手可能性に応じて、セラミック、銅、ステンレス鋼などの材料も使用できる可能性があると述べています。

JTC の空に面したメタファブリックは、2D 六方晶系窒化ホウ素結晶に結合された編組シリカ繊維で織られた足場で構成されています。 これにより、入射電磁波に対する応答がその接近角度に依存する「双曲面」材料が作成されます。

下のフォイルとは対照的に、メタファブリックは熱伝導率が非常に低いですが、太陽放射を非常に反射し、可視および近赤外線の範囲をカバーします。 これはメタファブリック内の光と物質の相互作用によるもので、これにより中赤外線がシリカ繊維の軸の周りに散乱します。 透明窓では、メタファブリックは、吸収した放射線を事実上すべて、フォイルに転写することなく再放出します。

その結果、クロークされたオブジェクト内の熱は保持される傾向がありますが、環境からの放射によってオブジェクトが加熱される傾向はありません。

新しい弾性熱量冷却システムは商業利用の可能性を示す

崔氏のチームは上海の路上に駐車した電気自動車でJTCをテストし、車内の温度を屋根のない自動車と比較した。 実験では、夏の暑い日には屋根付きの車は屋根のない車より約8℃低く、冬の寒い夜には6.8℃暖かかった。

「冬の夜に周囲温度を7℃近く上回る温暖化を達成できたのはこれが初めてです」と崔氏は説明する。 「これは私たちにとってもちょっと驚くべきことです。エネルギーの投入や太陽光がまったくないのに、私たちはまだ温暖化する可能性があります。」 この受動的な調整は電気自動車にとって特に重要です。電気自動車のバッテリーと電気コンポーネントは極端な温度変動に容易に耐えることができないからです。

Cui 氏とその同僚にとって、次のステップは設計をスケールアップすることであり、おそらくさまざまなエキサイティングな実用的なアプリケーションにつながるでしょう。 「サーマル クロークは信頼性が高く、真に受動的であり、相変化や可動部品を含みません」と彼は続けます。 「これにより、建物、乗り物、さらには地球外環境における現実世界の用途での使用が期待できます。」