麻省理工学院装置冷却，没有电或移动部件 - 即使在炽热的阳光下

在左侧的照片中，新型绝缘材料块的磁盘并反射可见光，隐藏在它下面的麻省理工学院标志。但在红外光看见，在右侧，材料是透明的，标志可见。

想象一下，一个可以在晴朗的日子上坐在炽热的阳光下坐在外面的装置，而不使用超过23华氏度（13摄氏度）的任何功率凉爽的东西。这几乎听起来像魔法，但是由MIT和智利的研究人员设计的新系统可以完全做到这一点。

没有移动部件的装置，由称为辐射冷却的过程工作。它阻挡了传入的阳光，以保持加热它，同时有效地辐射红外线 - 这基本上是热 - 直接进入天空并进入太空，明显低于环境空气温度。

这种简单，廉价的系统功能的关键是一种特殊的绝缘，由称为气凝胶的聚乙烯泡沫制成。这种轻质材料看起来和感觉有点像棉花糖，块，并反射阳光的可见光光线，使得它们不会穿透它。但对携带热量的红外线非常透明，允许它们自由地向外通过。

新系统在2019年10月30日发布的一篇文章中描述，在“科学研究生Arny Leroy，机械工程和部门负责人埃文王教授，七位在麻省理工学院和围岩天主教大学智利。

例如，这种系统可以用作防止蔬菜和水果从破坏的方式，潜在的倍增，在不可用的制冷的可靠性电力的偏远地点，在远程位置中可能会加倍，但Leroy解释说。

最小化热量增益

辐射冷却只是大多数热物体用于冷却的主要过程。它们发出中间红外辐射，其直接将热能从物体脱落到太空中，因为空气对红外光透明。

新设备基于一年前展示的王和其他人的概念，该概念也使用辐射冷却，而是使用物理屏障，窄条金属条，从直射阳光下遮蔽设备，以防止其升温。该设备的工作，但由于其高效的绝缘层，新系统实现的冷却功率的量不到一半。

在现场测试中，辐射冷却装置的性能在完全阳光下测量，绝缘材料在适当的（左）和没有它（右）。

“大问题是绝缘体，”Leroy解释道。防止早期设备实现更深的冷却的最大输入是来自周围空气的热量。“你如何保持表面冷，同时仍然允许辐射？”他想知道。问题是，几乎所有绝缘材料在阻塞红外光时也非常良好，因此会干扰辐射冷却效果。

王先生表示，有很多关于最小化热量损失的方法研究，他是机械工程机械工程师肯德尔教授。但这是一个不同的问题，它受到了更少的关注：如何最大限度地减少热量增益。“这是一个非常困难的问题，”她说。

这种气凝胶成功的关键是，虽然它阻挡了超过90％的进入的阳光，从而保护下面的表面免受加热，对红外光来说非常透明，允许大约80％的热线向外通过。

解决方案通过开发新型气凝胶。气凝胶是轻质材料，主要由空气组成，提供非常好的隔热材料，其结构由一些材料的微观泡沫状形成构成。该团队的新洞察力是将气凝钉从聚乙烯外，这些材料在许多塑料袋中使用。结果是一种柔软，柔软的白色材料，这是轻量化的，即给定的卷只重1/50就像水一样。

其成功的关键是，虽然它阻挡了超过90％的进入的阳光，从而保护了低于加热的表面，对于红外光来说是非常透明的，允许大约80％的热线向外通过。“当我们看到这种材料时，我们非常兴奋，”Leroy说。

结果是它可以显着冷却由诸如金属或陶瓷的材料制成的板，放置在绝缘层下方，其被称为发射器。然后，该板可以冷却连接到其的容器，或者通过与其接触的线圈的冷却液体，以提供用于生产或空气或水的冷却。

将设备置于测试中

为了测试其有效性的预测，团​​队以及他们的智利合作者在智利的阿塔卡马沙漠中建立了概念验证装置，其中部分是地球上最干燥的土地。它们几乎没有降雨，但在赤道上是正确的，它们会收到炽热的阳光，可以将设备放在真正的测试中。该器件在太阳中午的全阳光下实现了13摄氏度的冷却。在马萨诸塞州剑桥的麻省理工学院校园的类似测试，达到了10度冷却下降。

在与智利的研究人员合作，该团队在这里看到的Atacama沙漠镇的田间测试，如这里所见，以及在马萨诸塞州剑桥。

研究人员说，这足以让偏远地区的偏远地区保存产生的显着差异。另外，它可以用于为电气制冷提供初始冷却级，从而最小化这些系统上的负载，以允许它们更有效地操作，并且功率较低。

从理论上讲，这种装置可以达到50℃的温度降低，因此它们正在继续进行进一步优化系统的方式，使其可以扩展到其他冷却应用，例如建筑空调而没有需要任何权力来源。辐射冷却已经与一些现有的空调系统集成，以提高其效率。

但是，它们已经在直接阳光下实现了比使用除了用于绝缘真空系统的任何其他被动的辐射系统的直射阳光下的更大的冷却系统 - 这非常有效，而且非常繁重，昂贵，脆弱。

它可用于为电气制冷提供初始冷却级，从而最小化这些系统上的负载，以允许它们更有效地操作，并且功率较低。

这种方法也可能是任何其他种类的冷却系统的低成本附加，提供额外的冷却，以补充更传统的系统。“无论你有什么系统，”Leroy说，“把气凝胶放在上面，你会得到更好的表现。”

Peter Bermel是普渡大学的电气和计算机工程副教授，他不参与这项工作，说：“此处提供的聚乙烯气凝胶的主要潜在益处可能是其相对紧凑性和简单性，而与此次数实验。“

他补充说：“用一些替代品定量比较和将这种方法与诸如聚乙烯薄膜和角度选择性封闭的方法（例如，温度变化），成本和重量，每单位面积的替代方案进行比较和对比可能有用。… 如果进行比较，实用/益处权衡显着青睐这些气凝胶，则实际好处可能很重要。“

###

参考：“通过光学选择性和绝热聚乙烯气凝胶使高性能脱极辐射冷却通过A. leroy，B.Bhatia，CC Kelsall，A. Castillejo-Cuberos，M.ID Capua H.，L. Zhao，L. Zhang， AM Guzman和En Wang，2019年10月30日，科学推进.DOI：
10.1126 / sciadv.aat9480

该工作部分由麻省理工学院国际科技倡议（Misti）智利全球种子基金补助金，并通过美国能源部通过固态太阳能热能转换中心（S3TEC）。