Légkondicionálás nanotechnológiával

A megoldás úgy néz ki, mintha tükör lenne. A kaliforniai Stocktonban található Grocery Outlet nevű szupermarket tetején működik ez a rendszer, amely megóvja az üzletet a túlmelegedéstől. A Földön minden dolog hőt bocsát ki láthatatlan infravörös sugarak formájában, amelyek az ég felé mutatnak. Ahogy a világ melegszik, úgy nő a légkondicionálás és a hűtés iránti igény. Ezek a rendszerek azonban önmagukban is óriási mennyiségű hőt bocsátanak ki, és az általuk használt vegyületek a levegőbe kerülhetnek, ahol a bolygót melegítő üvegházhatású gázként viselkednek – írja cikkében a Popular Science.

Miután a Grocery Outlet 2019 végén felhelyezte a paneleket a 25 000 négyzetméteres épület tetejére, az áruház hűtőrendszerének energiafelhasználása 15 százalékkal csökkent. Ez közel 6000 dolláros megtakarítást jelent évente.

Ahhoz, hogy az úgynevezett sugárzó hűtés széles körben elterjedjen, olcsónak kell lennie a gyártásnak és a telepítésnek. Ha megvalósul, akkor ez lehet az egyik módja az energiatakarékosságnak és a károsanyag-kibocsátás csökkentésének. Évszázadokkal ezelőtt a sivatagban élő népek ezt a módszert használták jég előállítására. Esténként nagy tálak vagy gödrök falát szigetelték, majd vizet öntöttek bele. A koromfekete éjszaka alatt a hő távozott a folyadékból, és reggelre megfagyott.

Shanhui Fan, a Stanford alkalmazott fizika és elektrotechnika professzora irányításával, valamint a mérnöki tanszék kis csapatával Aaswath Raman – az ötlet megvalósítója – kifejlesztette azt az anyagot, amely ma a SkyCool Systems alapját képezi. A laboratóriumokban számos eszközhöz jutott hozzá: fizikai gőzfázisú leválasztó gépek, amelyeket ultravékony, többrétegű bevonatok előállítására használtak; pásztázó elektronmikroszkópok a rétegek vastagságának meghatározására; és különféle spektrofotométerek, amelyek az anyagok ultraibolya és infravörös tulajdonságait mérték.

Kevesebb mint egy év alatt egy vékony anyagot hoztak létre, amely hét mikroszkopikus rétegből állt egy ezüstdarab tetején. A szeletekben felváltva szerepelt a hafnium-oxid – egy szervetlen vegyület, amely elektromos szigetelőként működik – és szilícium-dioxid.

Az anyagok együttesen különleges optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Kezdjük azzal, hogy különösen jól bocsátják ki az infravörös fényt. A légkörben lévő üvegházhatású gázok és vízmolekulák általában elnyelik e sugarak nagy részét, és visszaküldik a Földre. A 8 és 13 mikrométer közötti hullámhosszúságú infravörös sugarakat azonban a légkör nem nyeli el, ezért Raman úgy hangolta az anyagot, hogy csak ebben a szűk tartományban sugározzon. Ráadásul a napsugarak 97 százalékát visszaveri, ami elég ahhoz, hogy napközben hűsítő hatást fejtsen ki.

2013 körül Raman elkezdte tesztelni speciális fényvisszaverőjét élesben is. Azon a nyáron az egyetem villamosmérnöki épületének tetején állított fel egy kisebb paneltömböt. Egy reggel, miközben a sugárzást és a visszaverődést mérő műszereket ellenőrizte, Raman rátette a kezét a napsütésben sülő egyik lapra, s hidegnek érezte.

A jelenlegi hűtési technológia alapjai nagyjából ugyanazok, mint amikor 1902-ben megtervezték az első elektromos légkondicionálót. Ezek a rendszerek a hűtőközeget egy mechanikus rendszeren keresztül szivattyúzzák, és több fázisváltáson keresztül áramoltatják azt. A hűtőközeg folyadékként egy tekercsen keresztül kerül be a belső térbe, ahol a hőfelvétel során gőzzé alakul. Az épületből kilépve egy kondenzátorba kerül, ahol a hűtőközeg összenyomódik, és a gőzből ismét folyadékká válva hőt bocsát ki a külvilág felé. Ez a folyamat addig ismétlődik, amíg a belső tér el nem éri a termosztát által beállított hőmérsékletet.

A kibocsátott anyagok azonban nagymértékben hozzájárulnak a globális felmelegedéshez. A DOE 2016-ban arról számolt be, hogy a helyhez kötött légkondicionáló rendszerek évente közel 700 millió tonna üvegházhatású gáz kibocsátásáért felelősek világszerte. A szennyezés a készülékeket működtető áram előállításához szükséges égetésből és a hűtőközegként használt fluorozott szénhidrogénekből származik, amelyek javítás során vagy a készülék leselejtezése után hajlamosak kiszabadulni. Hatásuk több ezerszer nagyobb, mint a szén-dioxidé – állapította meg a jelentés.

„A hőmérséklet egyre melegebb lesz, és ez természetszerűleg azt jelenti, hogy a légkondicionálók és a hűtőrendszerek egyre kevésbé lesznek hatékonyak” – mondja a SkyCool egyik munkatársa.

Végül a SkyCool és Raman rájöttek, hogy paneljeik optimális hatást gyakorolhatnak az energiafelhasználásra, ha kiegészítik a meglévő klímavezérlő rendszereket. 2016 körül a csapat újabb kísérletet végzett a Stanfordon; ezúttal egy olyan berendezést állítottak össze, amely alatt közvetlenül vékony vízvezetékek futottak. Három nap alatt a sugárzásos hűtés több mint 9 °C-kal csökkentette a víz hőmérsékletét. Egyik modelljük azt is kimutatta, hogy a technika beépítése egy Las Vegas-i kétszintes irodaházba 21 százalékkal csökkentené a nyári áramigényt.

A sugárzó hűtés általános hatékonyságának azonban van határa. A technológia alkalmazására a legjobb éghajlati viszonyok a viszonylag száraz, tiszta égbolttal rendelkező területek: Kalifornia, Arizona, Nevada és hasonlók. A felhőtakaró és a magas páratartalom csökkenti a napközbeni hatást, mivel a levegőben lévő vízmolekulák a kibocsátott infravörös sugárzás egy részét megkötik.

A SkyCool egyelőre több vállalkozást próbál megnyerni magának. Azt tervezik, hogy paneljeiket irodaházak tetején helyezik el a meglévő légkondicionáló berendezések kiegészítésére. Márciusban egy dél-kaliforniai nagyáruház lett a legújabb ügyfél. A tetőn gyűrődésmentes, tükörszerű fóliák öt teljes sora helyezkedik el két napelemoszlop között.

Némethi Botond, Okosipar.hu