Система, которая сочетает в себе радиационное охлаждение, испарительное охлаждение и теплоизоляцию в тонком корпусе, который может напоминать существующие солнечные панели, может обеспечить охлаждение примерно на 19 градусов по Фаренгейту (9,3 градуса Цельсия) по сравнению с температурой окружающей среды, что позволяет безопасно хранить продукты примерно на 40 процентов дольше в условиях очень высокой влажности.. Это может утроить время безопасного хранения в более сухих условиях.

Результаты исследования опубликованы в журнале Клеточные отчеты Физическая наука, в статье постдока Массачусетского технологического института Чжэнмао Лу, доктора философии Арни Лероя '21, профессоров Джеффри Гроссмана и Эвелин Ван и двух других. Хотя необходимы дополнительные исследования, чтобы снизить стоимость одного из ключевых компонентов системы, исследователи говорят, что в конечном итоге такая система может сыграть значительную роль в удовлетворении потребностей в охлаждении во многих частях мира, где нехватка электричества или воды ограничивает использование обычных систем охлаждения.

Система умело сочетает в себе предыдущие автономные конструкции охлаждения, каждая из которых обеспечивает ограниченное количество охлаждающей мощности, чтобы обеспечить значительно большее охлаждение в целом - достаточное, чтобы помочь сократить потери продуктов от порчи в тех частях мира, которые уже страдают от ограниченных поставок продуктов питания. Признавая этот потенциал, исследовательская группа частично получила поддержку Лаборатории водных и пищевых систем имени Абдула Латифа Джамиля Массачусетского технологического института.

"Эта технология сочетает в себе некоторые хорошие характеристики предыдущих технологий, таких как испарительное охлаждение и радиационное охлаждение", - говорит Лу. Используя эту комбинацию, говорит он, "мы показываем, что вы можете значительно продлить срок годности продуктов даже в помещениях с высокой влажностью", что ограничивает возможности обычных систем испарительного или радиационного охлаждения.

В местах, где в зданиях уже установлены системы кондиционирования воздуха, новая система может быть использована для значительного снижения нагрузки на эти системы за счет подачи холодной воды в самую горячую часть системы - конденсатор. "Снижая температуру конденсатора, вы можете эффективно повысить эффективность работы кондиционера, что потенциально позволяет экономить энергию", - говорит Лу.

По его словам, другие группы также используют технологии пассивного охлаждения, но "комбинируя эти функции синергетическим образом, мы теперь можем достичь высокой производительности охлаждения даже в помещениях с высокой влажностью, где предыдущие технологии обычно не работают должным образом".

Система состоит из трех слоев материала, которые вместе обеспечивают охлаждение по мере прохождения воды и тепла через устройство. На практике устройство могло бы напоминать обычную солнечную панель, но вместо выработки электроэнергии оно непосредственно обеспечивало бы охлаждение, например, действуя как крыша контейнера для хранения продуктов. Или же его можно использовать для подачи охлажденной воды по трубам для охлаждения частей существующей системы кондиционирования воздуха и повышения ее эффективности. Единственное, что требуется для технического обслуживания, - это добавление воды для испарения, но расход настолько мал, что это необходимо делать примерно раз в четыре дня в самых жарких и сухих районах и только раз в месяц в более влажных районах.

Верхний слой представляет собой аэрогель, материал, состоящий в основном из воздуха, заключенного в полости губчатой структуры из полиэтилена. Материал обладает высокой изоляцией, но свободно пропускает как водяной пар, так и инфракрасное излучение. Испарение воды (поднимающейся из нижнего слоя) обеспечивает некоторую охлаждающую способность, в то время как инфракрасное излучение, используя преимущества чрезвычайной прозрачности земной атмосферы на этих длинах волн, излучает часть тепла прямо через воздух и в космос - в отличие от кондиционеров, которые выбрасывают горячий воздух в непосредственную окружающую среду.

Под аэрогелем находится слой гидрогеля - еще одного материала, похожего на губку, но поры которого заполнены водой, а не воздухом. Это похоже на материал, который в настоящее время используется в коммерческих целях для таких продуктов, как охлаждающие прокладки или повязки для ран. Это обеспечивает источник воды для испарительного охлаждения, поскольку на ее поверхности образуется водяной пар, который проходит прямо через слой аэрогеля и выходит в окружающую среду.

Ниже этого зеркальный слой отражает любой попадающий на него солнечный свет, направляя его обратно через устройство, а не позволяя ему нагревать материалы и тем самым снижая их тепловую нагрузку. А верхний слой аэрогеля, являясь хорошим изолятором, также хорошо отражает солнечные лучи, ограничивая количество солнечного нагрева устройства даже при сильном прямом солнечном свете.

"Новизна здесь на самом деле заключается в том, что функция радиационного охлаждения, функция испарительного охлаждения, а также функция теплоизоляции объединены в одной архитектуре", - объясняет Лу. Система была протестирована с использованием небольшой версии, всего 4 дюйма в поперечнике, на крыше здания Массачусетского технологического института, доказав свою эффективность даже при неоптимальных погодных условиях, говорит Лу, и достигнув охлаждения 9,3 ° C (18,7 ° F).

"Ранее проблема заключалась в том, что испарительные материалы часто плохо справляются с поглощением солнечного света", - говорит Лу. "С этими другими материалами, обычно, когда они находятся под солнцем, они нагреваются, поэтому они не могут достичь высокой мощности охлаждения при температуре окружающей среды".

Свойства аэрогелевого материала являются ключом к общей эффективности системы, но в настоящее время этот материал является дорогостоящим в производстве, поскольку требуется специальное оборудование для сушки в критической точке (CPD), чтобы медленно удалять растворители из тонкой пористой структуры, не повреждая ее. Ключевой характеристикой, которую необходимо контролировать для обеспечения желаемых характеристик, является размер пор в аэрогеле, который получают путем смешивания полиэтиленового материала с растворителями, позволяя ему застыть, как миске с желе, а затем извлекая из него растворители. Исследовательская группа в настоящее время изучает способы либо сделать этот процесс сушки более недорогим, например, с помощью сублимационной сушки, либо найти альтернативные материалы, которые могут обеспечить ту же изоляционную функцию при меньших затратах, такие как мембраны, разделенные воздушным зазором.

В то время как другие материалы, используемые в системе, легкодоступны и относительно недороги, говорит Лу, "аэрогель - это единственный материал, который является продуктом лаборатории и требует дальнейшей разработки с точки зрения массового производства". И невозможно предсказать, сколько времени может занять эта разработка, прежде чем эта система сможет стать практичной для широкого использования, говорит он.

В исследовательскую группу входили Ленан Чжан с факультета машиностроения Массачусетского технологического института и Джатин Патил с факультета материаловедения и инженерии.