Atualmente, é um desafio resfriar com eficiência espaços fechados, como automóveis estacionários que retêm o calor por meio do efeito estufa. Em um novo relatório em Avanços da Ciência , Se-Yeon Heo e uma equipe de cientistas em ciência dos materiais, engenharia e nanoarquitetura no Japão e na República da Coréia, apresentou um emissor Janus (JET) para resfriamento de superfície. Eles usaram uma camada de prata (Ag) -polidimetilsiloxano (PDMS) em um substrato de quartzo micropadronizado e o material permitiu que eles esfriassem o espaço, mesmo quando o JET estava conectado dentro de um gabinete. Como resultado, o JET (Emissor Janus) poderia mitigar passivamente o efeito estufa em gabinetes e oferecer desempenho de resfriamento de superfície comparável aos resfriadores radiativos convencionais.

Tecnologias de refrigeração

As tecnologias de resfriamento atuais dependem da compressão de vapor e dos sistemas resfriados por fluido, mas eles consomem cerca de 10 por cento da energia global, enquanto acelera o esgotamento dos combustíveis fósseis. Entre 1990 e 2018, a quantidade de dióxido de carbono (CO ₂ ) as emissões do resfriamento do ambiente mais do que triplicaram, chegando a 1130 milhões de toneladas, juntamente com questões crescentes de redução da camada de ozônio e poluição do ar. A Terra pode se resfriar por meio do resfriamento radiativo, uma estratégia de gerenciamento térmico passivo para emitir calor indesejado para o espaço sideral sem consumo de energia, e resfriadores radiativos passivos mostraram resfriamento subambiente quando anexados a materiais externos, como o telhado ou até mesmo a pele humana, para extrair calor por convecção ou condução durante o dia. Contudo, tais estratégias podem ser ineficazes durante o acúmulo de calor extremo em veículos estacionários, onde temperaturas extremamente altas podem se desenvolver sob o efeito de estufa devido às janelas transparentes que permitem a entrada da radiação solar, embora seja opaco para a radiação térmica de onda longa existente. Nesse trabalho, Heo et al. propôs um emissor térmico Janus para atuar como emissor seletivo (SE) na parte superior e como emissor de banda larga (BE) na parte inferior. O design extraía calor do espaço interno e da superfície de maneira eficiente, enquanto o topo emitia calor para o espaço sem perturbar a radiação ambiente.

Os cientistas primeiro projetaram um emissor seletivo (SE) baseado em polímero incorporando polariton de plasmon de superfície falsa (sSPP) para atingir a seletividade quase ideal. Em seguida, eles mostraram teoricamente e experimentalmente os desempenhos de resfriamento do emissor Janus (JET) em ambos os lados, muito parecido com refrigeradores radiativos de última geração. O JET funcionou como um canal de calor eficaz para absorver a radiação térmica de banda larga do interior e da parte inferior, ao usar o lado superior para irradiar calor como ondas infravermelhas (IR) para o espaço sideral, muito parecido com uma pia fria. A amostra continha uma camada de polidimetilsiloxano (PDMS), uma camada de prata de 100 nm de espessura e uma camada de quartzo micropadrão revestida com PDMS de 10 µm de espessura na parte inferior. O JET minimizou a perturbação da energia solar e radiação ambiente, onde o lado inferior adsorve amplamente a radiação térmica interna. A equipe calculou os poderes de resfriamento e as temperaturas de resfriamento para o emissor seletivo (SE) e o emissor de banda larga (BE) durante o estudo.

Heo et al. analisaram os efeitos das ressonâncias de polariton de plasmon de superfície falsificada (sSPP) na emissividade de JET e a simulação mostrou fortes picos de absorção ressonante excitados entre os dois modos de sSPP, devido à ressonância da cavidade de Fabry – Pérot da configuração. O JET mostrou emissividade de ângulo robusto perto da janela atmosférica. Usando imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM), eles observaram o quartzo micropadrão com ou sem revestimento de PDMS. Os espectros de emissividade medidos e simulados indicaram características quase ideais em ambos os emissores seletivos (SE) e emissores de banda larga (BE) do sistema JET fabricado.

Para examinar a potência de resfriamento e a temperatura de resfriamento de ambos os emissores seletivos e emissores de banda larga (SE e BE) no dispositivo, os cientistas acessaram um telhado ao ar livre no Instituto de Ciência de Gwangju (GIST). A equipe evitou o autoaquecimento do sensor de ar ambiente usando uma caixa de ar ambiente para sombrear o espectro solar e forneceu fluxo de ar contínuo para a configuração. Eles testaram os sensores de temperatura quanto à confiabilidade e não usaram uma blindagem de convecção devido à transmitância imperfeita. Os resultados mostraram resfriamento subambiente sob diferentes condições climáticas, onde a névoa e a umidade inibiram a transferência de calor para a atmosfera. Heo et al. classificou a equação do balanço de energia em estado estacionário em quatro termos de potência, incluindo a (1) potência emitida pela amostra, (2) potência absorvida pela emissão atmosférica, (3) energia absorvida de irradiação solar e (4) transferência de calor sem irradiação, que incluiu condução e convecção. O SE foi mais eficaz durante o resfriamento subambiente em comparação com o BE. A equipe mediu o poder de resfriamento juntamente com as condições climáticas durante os experimentos.

Capacidade de refrigeração do JET em um espaço fechado

Embora a transferência de calor ocorra principalmente por meio de convecção em áreas abertas, o mecanismo pode ser diferente em um espaço fechado com uma fonte de aquecimento. Por exemplo, um automóvel estacionado sob o sol pode aquecer de 60 graus até 80 graus Celsius, embora a temperatura ambiente seja de apenas 21 graus Celsius, causando hipertermia em crianças ocupantes. Durante a radiação térmica de Janus, o JET (emissores Janus) pode funcionar como um canal de calor para extrair calor do invólucro e alterar significativamente a distribuição de temperatura na região interna. O JET é altamente eficiente em baixar a temperatura da área protegida por meio da absorção de banda larga e permitir a emissão térmica seletiva através da janela atmosférica.

A equipe desenvolveu um modelo experimental usando metal de alumínio e couro preto para imitar o interior e o piso de um veículo estacionário, estacionado sob o sol. Eles realizaram o experimento em um telhado e observaram o desempenho excepcional de resfriamento do JET no espaço fechado repetidamente em quatro dias diferentes sob diferentes condições climáticas. Com base nos resultados, a equipe propôs substituir o material usado aqui por outros polímeros para uma variedade de benefícios otimizados, incluindo uma capacidade de resfriamento geral aprimorada, minimizando a energia solar e aumentando a radiação térmica. As propriedades de superfície do JET também proporcionaram efeitos de impermeabilização e autolimpantes.

Desta maneira, Se-Yeon Heo e colegas mostraram como os emissores Janus fornecem uma estratégia passiva para a emissão seletiva para o espaço sideral, ao lado da absorção de banda larga no lado oposto do gabinete. Para conseguir isso, eles desenvolveram um emissor seletivo (SE) quase ideal com polariton de plasmon de superfície falsa (sSPP) dentro de um polímero PDMS revestido em uma moldura de quartzo micropadronizado revestido de prata para os experimentos. Eles examinaram a capacidade do JET de resfriar gabinetes, onde atraiu o calor em comparação com outros materiais. Usando as características de emissão bidirecional de emissores Janus, a equipe baixou a temperatura de um objeto radiativo em um recinto que simulava um ambiente estacionário de automóvel. A capacidade superior de resfriar passivamente as superfícies superior e inferior, bem como espaços fechados, pode permitir o desenvolvimento de projetos avançados para minimizar o efeito estufa em espaços fechados, como automóveis estacionários.

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