Effektiv køling: Stråling kan sende overskudsvarmen ud i universet

Skulle der hen over sommeren komme flere af de meget varme og solrige sommerdage, som vi oplevede i midten af juni, kan der være god anledning til at fundere over, hvordan man bedst slipper af med varmen, når Solen bager foroven.

Med aircondition og andre former for energikrævende aktiv køling, kan man tage varme ud af et område og sende det til et andet og varmere område.

Ved passiv køling går varmetransporten kun fra varme til kolde områder. Så når det er varmt ­udenfor, bliver det også varmt indenfor. Medmindre varmen kan forsvinde endnu længere væk.

Noget nær det koldeste sted, vi kan forestille os, er universet, hvor temperaturen når ned på 3 kelvin. Det er et oplagt sted at dumpe varmeenergi. Og der findes en i princippet helt enkel måde at gøre dette på i form af strålingskøling.

Alle objekter udsender nemlig elektromagnetisk stråling ved forskellige bølgelængder, og da Jordens atmosfære er gennemsigtig for bølgelængder mellem 8 og 13 mikrometer, er der intet, der kan stoppe stråling ved disse bølgelængder på deres vej ud i universet.

Hvis et legeme ved en sådan ud­sendelse af stråling taber mere energi, end det modtager, vil det blive koldere. Ud over at denne form for strålingskøling til verdensrum­met er med til at holde Jordens gen­nemsnitstemperatur nogenlunde konstant omkring 15 °C, har den derfor været udnyttet af mennesker, der lever i varme ørkenområder, i århundreder.

De har benyttet ­strålingskøling til at køle ting – ja ligefrem omdanne vand til is om natten i lerfade, selvom omgivelsestemperaturen aldrig når under frysepunktet. Isen har været opbevaret i bygninger kaldet yakhchal (yakh betyder is) i det nuværende Iran, .

Men ‘strålingsvinduet’ står kun på klem – ved alle bølgelængder uden for det smalle interval mellem 8 og 13 mikrometer vil vanddamp og drivhusgasser holde energi tilbage i atmosfæren. CO2 vil absorbere energi ved bølgelængder omkring 2,6 og 4 mikrometer og over 15 mikrometer, mens metan (CH4) absorberer meget kraftigt omkring 3,5 og 8 mikrometer.

Artiklen fortsætter under grafikken.

Fotoniske vidundere

For at kunne smutte igennem strålingsvinduet har en lang række materialer som TiO2, SiO og MgO2, der udsender stråling i det ønskede infrarøde område, været studeret og brugt til strålingskøling om natten siden 1960’erne. Men inden for de seneste ti år har der været større fokus på strålingskøling, der kan bruges om dagen og gerne i direkte sollys.

Udfordringen er her, at materialet både skal reflektere stort set al den energi, det modtager fra Solen i det synlige område, og samtidig have en høj udstråling i det infrarøde ­område ved 8-13 mikrometer. Det er ikke umiddelbart enkelt.

Et gennembrud kom i 2013, da forskere fra Shanhui Fans ­gruppe ved Stanford University i USA fremkom med et teoretisk design af en struktur, der ­kombinerede en infrarød emitter bestående af SiC og kvarts med en reflektor for sollys bestående af lag af MgF2 og TiO2. Den teoretiske beregning viste, at det skulle være muligt at opnå en varmeafgivelse på 100 W/m2 ved 300 K og en afkøling på 40-60 grader.

Med udgangspunkt heri lykkedes det året efter samme forskningsgruppe at lave et materiale, der gav en afkøling på 40 W/m2 ved 300 K. Derved kunne man køle til en temperatur, der var 5 grader lavere end omgivelserne, selv når det var udsat for direkte sollys med en effekt på næsten 900 W/m2.

Ved at kombinere ­strålingskøling med et vakuumsystem til at fjerne den energi, som køleelementet optager ved varmeledning eller konvektion fra omgivelserne, ­lykkedes det efterfølgende at opnå en tempe­raturreduktion på mere end 40 grader.

På samme tid tog andre ­forskere også fat, og det kan eksempelvis nævnes, at en forskningsgruppe ved Columbia University i USA i 2018 opnåede en afkøling på 6 grader og en køleeffekt på 96 W/m2 under solbelysning med 800 W/m2.

Mange af materialerne, de forskellige forskergrupper anvender, er specielle nanooptik-konstruktioner, men der findes også maling og træ, der kan afkøle ved at sende strålingsenergi ud i universet.

Kommercialisering

Flere af forskerne fra Stanford-grup­pen grundlagde i 2016 firmaet SkyCool Systems til at kommercialisere teknologien. For nogle år siden beskrev firmaet, at deres teknologi vil kunne mindske elektricitetsforbruget til køling i Las Vegas med 21 pct.

Andre firmaer opstået ud fra tilsvarende forskning ved andre universiteter lover besparelser i samme omfang. Så strålingskøling er godt på vej fra laboratorier ud i virkeligheden.

Antallet af større installationer og systemer er dog stadig ­begrænset. Der er nemlig en række forhold, man skal tage i betragtning, og som ikke altid er til teknologiens fordel. Eksperter i energibesparelser bemærker eksempelvis, at besparelsen vil afhænge meget af bygningernes konstruktion, placering og vejret.

Den bedste køling får man, hvor luftfugtigheden er lav. Det udeluk­ker mange varme steder, hvor teknologien ellers ville have været interessant.

Det kan også være et problem, at den passive strålingskøling virker året rundt. Det, man sparer om sommeren i energiomkostninger, vil måske blive modsvaret af ­stigende omkostninger til opvarmning om vinteren. Så Danmark er nok ikke et af de lande, hvor teknologien er mest oplagt at bruge.

Af samme årsag forestiller nogle forskere sig den mulighed, at man på toppen af det superkolde materiale kan have et flydende lag, der fryser til is, når temperaturen bliver lav. Det kan så afskærme strålingen fra at slippe ud. Men der er omvendt også nogle ekstra forhold, der taler til fordel for strålingskøling.

Materialer, der sender varme fra Jorden ud i universet, vil også kunne bruges til at opsamle vand, der kondenserer på overfladen. Ja, det vil ligefrem blive muligt at opsamle vand i løbet af dagen på den måde, som forskere fra The State Univer­sity of New York at Buffalo beskrev for nogle år siden.

De har nu oprettet firmaet Sunny Clear Water til at kommercialisere denne teknologi til steder, hvor der er varmt og tørt.

Shanhui Fei og co. fra Stanford University har beskrevet, at den temperaturforskel, der opstår i et system baseret på strålingskøling, med den termoelektriske effekt kan omdannes til elektricitet, der kan forsyne en lille LED – så man dermed kan generere »lys ud af mørke«, som de selv beskrev det i en videnskabelig artikel om deres metode.

Kølende omslag til Jorden

Der er således flere ­interessante muligheder ved at sende Solens energi tilbage til universet med de rette bølgelængder.

Nogle vil måske fundere over, om det ikke også ­kunne være en løsning på den globale opvarmning. Disse kan finde opbakning hos Jeremy Munday fra University of California, Davis, der for et par år siden fremlagde en overslagsberegning, der viste, at den globale opvarmning kunne håndteres, hvis vi dækkede 1-2 pct. af Jordens overflade med en materialer med en køleeffekt på 100 W/m2 – hvilket andre vil finde helt urealistisk.