Yeni polimer boya, binaları doğrudan güneş ışığı altında bile etkili bir şekilde soğutuyor

Binalarda ılımlı bir sıcaklığın korunması, konforun önemli bir unsurudur. Günümüzde bu sorun, dezavantajları bilinen klimalarla çözülmektedir: elektriğe bağımlılık, zararlı soğutucu akışkan kullanımı vb. Amerikalı bilim insanları, bir binaya uygulandığında, doğrudan güneş ışığında bile enerji tüketmeden binayı soğutan basit bir polimer kaplama geliştirdiler. Bu etki, kaplamanın güneş ışığını etkili bir şekilde yansıtması ve biriken ısıyı atmosferin kızılötesi penceresinden yeniden yaymasıyla elde edilir.

Sıcak havalarda konut ve endüstriyel binaların soğutulması, diğer şeylerin yanı sıra iş gücü verimliliğini etkileyen konforlu bir yaşam ortamı yaratmanın hayati bir parçasıdır (M. Burke ve ark., 2015. Küresel doğrusal olmayan sıcak hava etkisi ekonomik üretim üzerinde ). Günümüzde soğutma öncelikle kompresör tipi sistemlerle (çoğunlukla bilindik klimalar ) sağlanmaktadır. Ancak bu tür cihazların birçok dezavantajı vardır: yüksek enerji tüketimi, dış havanın ısıtılması, ozon tabakasını incelten zararlı soğutucuların kullanımı vb. Ekonomik (veya daha da iyisi elektrikten bağımsız), güvenli ve iklim dostu bir soğutma yöntemi bulma cazip ihtimali ulaşılamaz görünmektedir. Ancak, modern teknolojinin oldukça uygulanabilir olduğu ortaya çıkmaktadır.

Klimalara bu alternatif, pasif radyatif soğutma etkisine dayanmaktadır: Bir yüzey, güneş ışığını ve radyant ısıyı (0,3-2,5 µm aralığındaki dalga boyları) etkili bir şekilde yansıtıyor veya dağıtıyorsa ve ayrıca kızılötesi spektrumun uzun dalga boyu bölgesinde ( atmosferik şeffaflık pencereleri olarak adlandırılan 8-13 µm dalga boyları) yayıyorsa, herhangi bir ek çaba harcamadan, ısıyı doğrudan uzaya yayarak kendini soğutacaktır (bu olgunun fiziği "Kendi Buzdolabınız Olun" probleminde ayrıntılı olarak ele alınmıştır). Belirli yüzey özellikleri göz önüne alındığında, yüzey ışığı iyi yansıttığı ve gerekli aralıkta yaydığı sürece, bu etki gündüzleri doğrudan güneş ışığı altında da gözlemlenebilir. Böyle bir malzemeyle, binaları aşırı ısınmadan korumak için basitçe kaplamak için kullanılabilir; her şey otomatik olarak, herhangi bir elektrik tüketimi olmadan gerçekleşir.

Bu alandaki araştırmalar oldukça uzun süredir devam etmektedir. Geçtiğimiz on yıllarda, pasif gündüz radyatif soğutma yeteneğine sahip bir dizi malzeme geliştirilmiştir: fotonik yapılar (AR Gentle, GB Smith, 2010. Yüzey fonon rezonans nanopartikülleri kullanılarak Dünya'dan radyatif ısı pompalanması ), dielektrikler (TS Eriksson vd., 1985. Radyatif soğutma uygulamaları için yüzey kaplamaları: Reaktif rf-püskürtme ile üretilen silisyum dioksit ve silisyum nitrür ), polimerler (Y. Zhai vd., 2017. Gündüz radyatif soğutma için ölçeklenebilir üretimli randomize cam-polimer hibrit metamalzeme ) ve metalik yansıtıcı yüzeyler (AP Raman vd., 2014. Doğrudan güneş ışığı altında ortam hava sıcaklığının altında pasif radyatif soğutma ).

Tüm bunlar, korudukları nesnelerin sıcaklığını başarılı bir şekilde düşürebilmelerine rağmen, dezavantajları yok değildir; bunların başlıcaları yüksek üretim maliyeti ve tahribata (korozyon veya hava koşullarına bağlı) yatkınlıktır. Mevcut gelişmelerin uygulanmasının önündeki bir diğer engel ise, bu malzemelerin çoğunun filmler (veya gömülü nanopartiküller içeren birkaç film katmanının kompozitleri) olarak üretilmesi ve bunların genellikle yalnızca özel olarak hazırlanmış yüzeylere uygulanabilmesidir. Bu nedenle, şu anda en umut verici olan, korunacak yüzeylere kolayca uygulanabilen, pasif soğutma yeteneğine sahip boyaların veya diğer bileşimlerin geliştirilmesinde yatmaktadır. Bu tür boyalar birkaç yıldır mevcuttur, ancak performans özellikleri hala oldukça mütevazıdır (J. Song ve ark., 2014. Parçacık boyutu dağılımının titanyum dioksit rutil pigmentlerinin optik özellikleri ve soğuk beyaz olmayan kaplamalardaki uygulamaları üzerindeki etkileri ).

Columbia Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndan Nanfang Yu liderliğindeki araştırmacılar, etkili pasif soğutma için her iki dünyanın en iyi özelliklerini bir araya getiren bir malzeme geliştirdiler: sentezlenmesi kolay, hava koşullarına dayanıklı ve boya kadar kolay uygulanabiliyor.

Aslında, bu tür malzemeler için bileşen seçme algoritması, en azından teoride, oldukça basit ve anlaşılırdır: "Soğutma boyalarının" bileşenleri ışığı iyi yansıtmalı ve kızılötesi spektrumunun uzun dalga boyu aralığında şeffaf olmalıdır. Çoğu zaman, yansıtmayı iyileştirmek için polimere eklenen beyaz renkli inorganik nano veya mikropartiküller (örneğin çinko oksit, silisyum dioksit veya titanyum dioksit) veya inorganik kristaller kullanılır. Araştırmacılar, polimer malzemedeki belirli bir boyuttaki gözeneklerin radyasyonu yansıtmada daha etkili olacağı hipotezini öne sürmüşlerdir. Dahası, pigment ihtiyacının ortadan kaldırılması, malzemenin üretim ve işleme maliyetini düşürmenin yanı sıra, polimer + nanomalzeme kompozitlerinin (uzun vadede bile) bozunması ve bitkiler ve hayvanlar için toksik olabilen nanopartiküllerin atmosfere salınmasıyla ilişkili çevresel sorunları da ortadan kaldırmalıdır (P.S. Tourinho ve ark., 2012. Topraktaki metal bazlı nanopartiküller: Kader, davranış ve toprak omurgasızları üzerindeki etkiler ).

Araştırmacılar, hipotezlerini test etmek için vinil florür ve hekzafloropropen kopolimerini seçtiler. Bu florlu polimer, karbon-flor bağları sayesinde kimyasal olarak kararlıdır, günlük sıcaklık dalgalanmalarına dayanıklıdır ve nemden etkilenmez.

Poli(vinil florür-hekzafloropropen), asetonda yüksek oranda çözünür, ancak suda çözünmez. Saflaştırma yöntemlerinden biri, aseton çözeltisinden su ile çökeltmedir. Elde edilen emülsiyonun bir yüzeye püskürtülmesi veya fırçalanması, oldukça uçucu olan asetonun buharlaşmasına neden olur. Önemli miktarda aseton buharlaştığında, polimer + aseton + su sistemi homojenliğini kaybeder ve su damlacıkları oluşur. Polimer suda çözünmediği için, küçük su damlacıklarının etrafında kristalleşmeye başlar ve su içeren gözenekli bir yapı oluşturur. Kalan aseton daha sonra buharlaşır ve ardından su buharlaşır. Bu, çapları 50 ila 10.000 nm arasında değişen gözeneklere sahip gözenekli bir polimer yapısı bırakır. Bu gözeneklerin iç yüzeyi, ışığı görünür ve yakın kızılötesi aralıkta yoğun bir şekilde dağıtır. Elde edilen malzeme, gelen güneş ışınlarının %96'sını yansıtan ve atmosferin şeffaflık penceresindeki ısının yaklaşık %97'sini başarıyla yeniden yayan beyaz bir filmdir.

Araştırmacılar, elde edilen malzemeyi çeşitli koşullar altında radyasyon soğutması açısından test ettiler. Açık ve güneşli Arizona gökyüzü altında, vinil florür ve hekzafloropropen kopolimeri, yüzey sıcaklığını ortam hava sıcaklığına kıyasla 6ºC düşürdü. Çalışmanın ortak yazarlarından birinin memleketi olan Bangladeş'in nemli havasında, yüzeyler yalnızca 2ºC soğudu, ancak bu yine de bir başarıdır: çünkü termal radyasyon nemli havada zayıf bir şekilde dağılır ve daha önce geliştirilen birçok malzeme bu koşullar altında başarısız olmuştur. Ayrıca, kopolimer malzemenin korunan yüzeyi soğutma yeteneğinin, açık havaya maruz kaldıktan sonra bir ay boyunca korunduğu da tespit edildi.

Yeni yaklaşımın bir diğer avantajı da, gözenekli kopolimeri üretmek için kullanılan yöntemin biyouyumlu olanlar da dahil olmak üzere diğer polimerlere uygulanabilmesidir. Araştırmacılar, buluşlarının bina cepheleri ve çatılar için geleneksel boyalarda kullanılma olasılığını kesin olarak belirlemek amacıyla, vinil florür ve hekzafloropropenin gözenekli kopolimeri üzerinde daha ileri testler yürütüyorlar.

Kaynak: J. Mandal, Y. Fu, A. Overvig, M. Jia, K. Sun, N. Shi, H. Zhou, X. Xiao, N. Yu, Y. Yang. Yüksek verimli pasif gündüz radyatif soğutma için hiyerarşik gözenekli polimer kaplamalar // Science . 2018. DOI: 10.1126/science.aat9513.

Arkady Kuramşin