Effektiv køling: Stråling kan sende overskudsvarmen ud i universet

En yakhchal i det nuværende Iran. Bygninger som denne har siden 400 fvt. været brugt til at opbevare is dannet ved passiv køling, selv om omgivelsestemperaturen aldrig når under frysepunktet. Illustration: wikipedia

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.

Læs også: Google bremser grøn køling med spildevand af sit datacenter

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.

Strålingen fra Solen er bestemt af overfladetemperaturen på Solen, som er ca. 6.000 K. Knap halvdelen af energien udsendes som synligt lys med bølgelængder mellem 0,38 og 0,75 mikrometer. På grund af absorption i atmosfæren af bl.a. vanddamp ved bestemte bølgelængder har kurven for den modtagne energi ved jordoverfladen et takket forløb. Den lyseblå kurve viser andelen af udstrålingen i det infrarøde område fra jordoverfladen, der når ud til verdensrummet. I det atmosfæriske vindue mellem 8 og 13 mikrometer vil hovedparten af strålingen passere gennem atmosfæren. Den stiplede blå kurve viser udstråling fra et normalt legeme med en temperatur på 300 K. Denne kurve har samme form som Solens spektrum, men er forskudt til længere bølgelængder pga. den lavere temperatur. Illustration: Ingeniøren/Stanford University

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.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Kan det svare sig at begrænse udstrålingen til området 8 til 13um? Totalt vil en 300K overflade stråle 450W, men ved at begrænse udstrålingen bliver det kun 25 til 30% af dette der stråles ud ~150W i bedste fald. Ved en klar himmel og tør luft vil tilbagestrålingen i båndet være meget lille, men hvor tit sker det.

Klar himmel og tør luft giver lav tilbagestråling i det valgte bånd, men ved andre konditioner er der alligevel en del tilbage stråling i båndet. Uden denne båndbegrænsning vil der alligevel være en forskel i udstrålet og tilbagestrålet på 50 til 150W, så det er mere væsentligt at få reflekteret solindstrålingen end at begrænse udstrålingen til vinduet.

P.S. Ved tør luft kan man opnå tilsvarende køling ved at fordampe vand uden eksotiske materialer.

Der har for nylig været indlæg om lignende forsøg.

  • 7
  • 3

Hvad sker der mon, hvis jeg maler min facade med een af disse eksotiske malinger ? Får naboerne mon varmen - og hvad er retningen mon ? Diffus rundtråling (som fra glødende plade) eller retningsbestemt stråling (som fra et vindue) ?

Det er jo kendt, at klasiske vinduer kan reflektere så meget energi fra sollys, at naboer i skudlinien bliver "stegt" (e.g. i London).

  • 2
  • 0

Hvad sker der mon, hvis jeg maler min facade med een af disse eksotiske malinger ?

Du skal nok regne noget på det, da der kan være fordele og ulemper ved det.

Umiddelbart kan man tro at den bliver kølet ned med kondens til følge. På den anden side så bliver udstrålingen mindre (70%) da den kun stråler i "vinduet".

En facade vil ikke se særlig meget af himlen, og omgivelserne den ser stråler udmærket i dette vindue, så køleeffekten er nok minimal. Måske overfladen bliver lidt varmere på grund af den mindre udstråling om vinteren, men om sommeren kan den blive så kold, at du kan få fugtophopning, da facaden aldrig bliver varmet af solen.

  • 1
  • 0

Svend, jeg forstår ikke dit indlæg.

Hvis en bygning med vinduer eller de nye eksotiske malinger reflekterer / udstråler, så er der vel TO virkninger: 1) bygningen, 2) omgivelserne.

Bygningen vil slippe for indstråling hvis der sker en reflektion, og vil opleve en nedkøling ved brug af de eksotiske malinger (og ja, det kan give kondens (dug) på overfladen.

Omgivelserne må modtage reflektion / udstråling.

  • reflektion er måske mere velkendt og strålebundtet vil opvarme flader der træffes eller luften.

  • eksotiske malinger udstråler, men hvor ender energien ? Hvis der er frit, så kan den øjensynlig udstråles til rummet som beskrevet. Hvis ikke, så må den vel som ved reflektion absorberes af bygninger og bevoksning.

Derfor mit spørgsmål: hvad er retningen ? I et simpelt tilfælde med facade mod syd, en solhøjde på 55 grader, vil udstrålingen så blive 55 grader under vandret (som reflektion), ELLER er der en spredning hvor en brøkdel rammer omgivelserne og en lille brøkdel har retning mod himlen ?

Ved tagmaling på vandret tag vil samme model udstråle kun mod himlen.

  • 0
  • 0

Bygningen vil slippe for indstråling hvis der sker en reflektion, og vil opleve en nedkøling ved brug af de eksotiske malinger (og ja, det kan give kondens (dug) på overfladen.

Jeg går ud fra at overfladerne stråler og absorberer uden spejling, altså matte overflader. Meget væsentligt: En overflade der stråler i et bestemt bånd vil også absorbere i det bånd. Udenfor båndet sker der en refleksion, men det er ikke spejling (det er som hvidt papir).

Derfor mit spørgsmål: hvad er retningen ? I et simpelt tilfælde med facade mod syd, en solhøjde på 55 grader, vil udstrålingen så blive 55 grader under vandret (som reflektion), ELLER er der en spredning hvor en brøkdel rammer omgivelserne og en lille brøkdel har retning mod himlen ?

Refleksion har desværre to betydninger, dels tilbagekastning i alle retninger og dels bruges det også i form af spejling. Som sagt går jeg ud fra at denne maling reflekterer uden spejling udenfor 8-13um. Den vil altså se meget hvid og lysende ud i solskin. En del af den reflekterede stråling vil selvfølgelig ramme omgivelserne og varme dem en smule sammen med det solskin og anden stråling der i øvrigt træffer dem.

Omgivelserne stråler i hele IR-båndet, altså også i 8-13um, og det absorberes af din overflade, som derfor ikke køles så meget som hvis den så på himlen kun. Om sommeren består den største "køling" i at facaden ikke varmes af solen, men blot får omgivelsernes temperatur. Omgivelserne er alt hvad facaden "ser".

Denne "køling" (manglende opvarmning af solen) kan opnås med almindelig hvid facademaling, men det kan have en pris i form af fugtophobning.

Håber det gjorde det mere klart.

  • 2
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten