Учёные из Пекинского технологического института представили новое поколение температурно-адаптивного устройства радиационного охлаждения, которое может динамически регулировать свои охлаждающие свойства в зависимости от температуры окружающей среды. Эта разработка имеет значительные перспективы для оптимизации использования энергии и продвижения устойчивых решений по управлению температурным режимом.

По мере усиления глобального энергетического кризиса и ускорения изменения климата поиск устойчивых решений для управления энергией становится всё более актуальным. Одним из перспективных подходов является пассивное радиационное охлаждение, технология, которая позволяет объектам охлаждаться, излучая тепло непосредственно, не требуя дополнительной энергии.

Источник: DALL-E

Материалы для радиационного охлаждения должны демонстрировать высокую отражательную и излучательную способность. Разработано множество материалов для радиационного охлаждения, но большинство из них имеют статическую излучательную способность. Это означает, что при низкой температуре окружающей среды материалы для радиационного охлаждения всё ещё обладают высокой охлаждающей способностью, что приводит к «переохлаждению», что увеличивает потребление энергии системой отопления. С другой стороны, термохромные материалы с фазовым переходом являются идеальными кандидатами для динамического радиационного охлаждения. Не требуется источник питания, схемы или движущиеся части.

Новое устройство, названное Temperature-Adaptive Metasurface Radiative Cooling Device (ATMRD), основано на предыдущей работе с диоксидом ванадия (VO2), материалом, известным своей способностью «переключаться» между различными состояниями теплового излучения. Устройство представляет собой метаповерхность с периодическим массивом блоков VO2, что улучшает производительность устройства за счёт баланса высокой теплоизлучательной способности с низким поглощением солнечного света.

По словам профессора Цзинбо Ли, ведущего исследователя, «Объединив термоадаптивную метаповерхность с диоксидом ванадия, мы значительно повысили эффективность технологий радиационного охлаждения. Наше устройство не только снижает поглощение солнечной энергии, но и повышает теплоизлучательную способность, решая критическую проблему переохлаждения».

Схема адаптации к изменениям температуры окружающей среды охлаждающего прибора на основе метаповерхности. Источник: Junlin Yang (Beijing Institute of Technology)

Новое устройство демонстрирует заметные улучшения по сравнению с предыдущими разработками. Его коэффициент поглощения солнечной энергии составляет всего 27,71%, что на 7,54% ниже, чем у более ранних моделей, а коэффициент излучения составляет 0,85 при высоких температурах, что на 13,3% выше. Кроме того, его способность модулировать коэффициент излучения на 20% лучше, чем у предыдущих устройств, что делает его более эффективным в управлении изменениями температуры.

Эта работа проясняет, как геометрические параметры суперструктуры влияют на производительность устройства, и раскрывает механизм повышения производительности теплового излучения посредством возбуждаемых суперструктурой множественных резонансов. Представленное исследование предлагает ценные теоретические и практические ссылки для проектирования и разработки функциональных устройств суперструктуры VO2, которые могут существенно повлиять на области терморегулирования и возобновляемой энергии.

Итоги разработки подчёркивают потенциал современных материалов и методов проектирования для совершенствования технологий радиационного охлаждения и могут привести к созданию более эффективных решений по управлению тепловым режимом, что будет способствовать экономии энергии.