Kako se naš svijet nastavlja zagrijavati, globalna potražnja za klimatizacijskim uređajima vrtoglavo raste. U 2019. godini potreba za hlađenjem činila je 8,5% ukupne svjetske potrošnje električne energije, što je jednako emisiji od oko 1 milijarde tona CO2. Kako sve više klimatizacijskih jedinica troši sve više energije svake godine, čini se da smo zarobljeni u neprekinutom ciklusu, samo dodatno ubrzavajući problem globalnog zagrijavanja.
Hlađenje bez napajanja
Jedan od mogućih načina da se prekine ovaj krug mogao bi biti pasivno hlađenje. Ova vrsta tehnologije apsorbira toplinu iz okoliša, a zatim iskorištava fizičke učinke uključujući izolaciju, isparavanje i zračenje kako bi prenijela tu toplinu dalje od sustava koji se hladi – sve bez ikakve dodatne snage. No, još uvijek je dug put prije nego što se pasivni sustavi hlađenja mogu smatrati komercijalnim proizvodom. Ne samo da postojeće konstrukcije imaju ograničen učinak hlađenja, već također koriste velike količine vode, a njihova je učinkovitost ograničena i ovisi o uvjetima okoline, kao što su toplina i vlaga.
Tri rashladna sloja
Tim istraživača iz Massachusettsa upravo je napravio važne korake prema prevladavanju ovih izazova. Unutar ravnog, troslojnog panela, Zhengmao Lu i kolege s MIT-a kombinirali su nekoliko tehnika pasivnog hlađenja — svaka eliminira nedostatke ostalih. Gornji sloj ploče ima visoko izolacijski aerogel: ultra lagani, spužvasti materijal, koji sadrži rijetke mreže polimera, gdje veliku većinu volumena zauzima prazan prostor. Ova struktura čini aerogelove visoko izolacijskim za toplinu, dok dopušta plinovima i drugim vrstama zračenja da lako prolaze. Ispod aerogela, Luov tim je ugradio hidrogel: materijal sa sličnom mrežom netopivih polimera, ovaj put uronjenih u vodu. Ovaj sloj je izoliran gornjim aerogelom, ali kako se toplinska energija koja prolazi kroz gornji sloj apsorbira, voda koju sadrži djelomično isparava u paru – koja se diže kroz aerogel.
Osim toga, hidrogel dio topline koju apsorbira pretvara u infracrveno zračenje. Budući da su i aerogel i Zemljina atmosfera prozirni za ovo zračenje, ta se energija zatim oslobađa natrag u svemir, bez zagrijavanja vanjskog zraka. Konačno, istraživači su ispod hidrogela postavili reflektirajući materijal nalik zrcalu. Ovaj sloj reflektira svu toplinu koja uspije proći kroz gornja dva sloja – osiguravajući da hidrogel apsorbira što je više moguće topline.
Nadmašuje dosadašnje dizajne
Ključna prednost ovog dizajna je da kombinira jedinstvene prednosti izolacije, isparavanja i zračenja. Kako snažna izolacija aerogela hladi hidrogel ispod, ovaj drugi sloj može učinkovitije pretvoriti toplinu u vodenu paru i infracrveno zračenje – čak i pri višoj temperaturi i vlažnosti. Osim toga, panel troši daleko manje vode od postojećih dizajna, tako da se zaliha vode u hidrogelu mora puno rjeđe dopunjavati. Kako bi testirali izvedbu svog uređaja, Luov tim ga je postavio na mali dio krova u kampusu MIT-a u Cambridgeu, uz najsuvremeniji, isključivo radijacijski sustav hlađenja. Kao što su se nadali, njihov je dizajn radio oko 3 puta učinkovitije od vrhunskog sustava. Tijekom ljetnih mjeseci hladio je prostor ispod panela na čak 9,3°C ispod temperature okoline, čak i na izravnoj sunčevoj svjetlosti.
Put do komercijalizacije
Istraživači priznaju da se njihov pristup još uvijek suočava s jednim velikim izazovom prije nego što se može komercijalizirati: troškovi i opseg. Budući da su aerogeli još uvijek relativno nova klasa materijala, tehnike potrebne za njihovu proizvodnju često su skupe i dugotrajne. U svojim budućim istraživačkim projektima, Lu i kolege nastojat će poboljšati ove tehnike – vjerojatno kroz metode poput sušenja smrzavanjem ili korištenje potpuno novih polimernih materijala za proizvodnju aerogela. Ako uspiju, istraživači se nadaju da bi njihov pristup mogao dovesti do transformacije u tehnologiji hlađenja: ne samo osiguravajući ljudsku udobnost dok globalne temperature rastu, već i dovesti do boljih sustava za čuvanje i distribuciju hrane i lijekova. Luov tim procjenjuje da bi njihov pasivni rashladni sustav mogao produžiti rok trajanja hrane za 40% u vlažnim klimama, i do 200% u sušnijim regijama. Ove prednosti mogle bi biti osobito važne za otprilike 10% stanovništva Zemlje koje još uvijek nema redovit pristup električnoj energiji. Za ostatak svijeta to bi moglo predstavljati obećavajući novi način za rješavanje globalnih emisija CO2 – a u budućnosti bi konačno moglo prekinuti ciklus naše spiralne potrošnje klima uređaja.
