Rashladne tehnologije koje bi mogle zaštititi gradove od opasne vreline

U rasponu od superrashladnih materijala koji šalju vrelinu u svemir do transformišućih materijala koji mogu selektivno da je zaustave, naučnici pronalaze nove strategije za redukciju temperatura u gradovima.

Vreme je da se pripremamo za rekordno velike vrućine. Prošla godina je bila najtoplija u evidenciji, a ova preti da će biti još ekstremnija sa temperaturama blizu 50 stepeni Celzijusovih u Nevadi, Egiptu i Australiji. Jun je bio 13 najtopliji mesec u nizu na globalnom nivou i četiri uzastopna dana u julu bila su najtoplija u zabeleženoj istoriji planete.

Vrele temperature dovode do nestašica vode, nanose štetu usevima, opterećuju strujne mreže i izazivaju toplotne udare i veliki mortalitet – ubijajući skoro 500.000 ljudi svake godine, prema jednoj proceni.

Preporučujemo

Stoga naučnici naporno rade na razvoju novih načina za hlađenje gradova i smanjenje upotrebe struje u zagrevajućem svetu. Razvoj se kreće od visokoefikasnih klima-uređaja do specijalnih materijala koji održavaju površine hladnijim od njihovog okruženja bez upotrebe struje, piše Nature.

Istraživanje hlađenja

U većini klima-uređaja i hladnjaka, tečnost je kompresovana radi transfera toplote iz unutrašnjosti prostorije ili uređaja napolje. Međutim, taj proces emituje gasove koji izazivaju efekat staklene bašte i troši mnogo energije.

Globalno, klima-uređaji i električni ventilatori troše oko 20% struje upotrebljene u zgradama. Međunarodna agencija za energiju predviđa da će se količina energije potrebne za klima-uređaje širom planete utrostručiti do 2050.

Istraživači rade na smanjenju energije koju troše klima-uređaji. Jedno moguće rešenje u cilju njihovog efikasnijeg rada je razvijeno prošle godine i ne oslanja se na tečna sredstva za hlađenje koja su štetna po životnu sredinu.

U Luksemburškom institutu za nauku i tehnologiju napravili su uređaj koji se oslanja na „elektrokalorično“ hlađenje. Električno polje je primenjeno radi promene pozicije atoma u izolirajućoj keramici. To polje ograničava kretanja atoma i njihove vibracije se pojačavaju i pretvaraju u toplotu, povećavajući temperaturu materijala. Tečnost nosi tu toplotu napolje. Kad je toplota uklonjena, polje se isključuje i atomi mogu da se kreću slobodnije. To dovodi do smanjenja njihovih vibracija i temperatura keramike opada, što je promena koja se može koristiti u svrhe hlađenja.

Uređaj je napravljen u saradnji sa japanskom kompanijom Murata, koja već proizvodi takvu keramiku za mobilne telefone, kompjutere i drugi hardver. Međutim, primena bi mogla biti spora. Istraživači planiraju rad na hlađenju baterija u električnim vozilima, u roku od pet godina, a onda bi se mogli pozabaviti klima-uređajima u narednoj deceniji.

Materijali koji značajno menjaju situaciju

Druge komponente – poznate kao superrashladni materijali – mogli bi smanjiti temperature ispod nivoa okolnih uslova bez energije.

Svi materijali reflektuju neku količinu Sunčeve svetlosti koja ih pogađa i svi emituju energiju kao toplotu. Međutim, superrashladni materijali reflektuju većinu solarnog zračenja i emituju mnogo toplotnog zračenja. To ih čini hladnijim od okolne temperature.

Ne samo da bi mogli doprineti rashlađivanju zgrade, smanjujući tako potrebu za klima-uređajima, već takođe mogu rashlađivati vazduh napolju.

„Ako je neka površina uvek hladnija nego vazduh, onda ta površina uvek izvlači toplotu iz vazduha dok struji preko nje. Tako da aktivno hladi urbanu atmosferu“, kaže Dejvid Sejlor, direktor Škole za geografske nauke i urbano planiranje na Državnom univerzitetu Arizone.

Prvi superrashladni materijal je dizajniran 2014. Asvat Raman i kolege sa Stenfordskog univerziteta napravili su rashlađujuću površinu koja je bila vrlo reflektivna u vidljivim talasnim dužinama gde je Sunčevo zračenje najviše, i emisivna u srednjem infracrvenom području.

Atmosfera hvata većinu infracrvenog zračenja koje kao toplotu emituju objekti na Zemljinoj površini. Međutim, određeni pojas infracrvenog, talasnih dužina 8-13 mikrometara, prolazi direktno kroz atmosferu i iščezava u svemiru. Superrashladni materijali koriste taj infracrveni okvir.

Postavljena na krov, Ramanova tehnologija – napravljena od sedam naizmeničnih slojeva silicijum-dioksida i hafnijum-dioksida – ostala je pet stepeni hladnija od okolne temperature vazduha.

Otada su superrashladni materijali u laboratoriji napravljeni u obliku plastike, metala, farbe i čak drveta.

Istraživači sa Sičuanskog univerziteta su u julu saopštili da su napravili superrashladni aerogel, koji je, postavljen napolju, rashlađivao površine do 16 stepeni ispod temperature okolnog vazduha.

Rashladne površine

Raman je prešao sa superrashladnih materijala na kategoriju rashladnih materijala, koji obično reflektuju većinu solarnog zračenja, ali nije nužno da emituju većinu svog toplotnog zračenja.

Većina materijala će i dalje emitovati toplotu širom čitavog infracrvenog sprektra i dostići temperature malo ispod temperatura okolnog vazduha ako su dovoljno reflektivni, kaže on.

Raman takođe radi na drugom tipu materijala za vertikalne površine poput fasada. To nije lako jer su zidovi izloženi i nebu i tlu, tako da apsorbuju toplotu tokom leta i gube toplotu tokom zime.

Potencijalno rešenje je specijalni materijal koji hladi ili zagreva zidove zavisno od sezone. To se postiže selektivnim gubitkom toplote ka nebu i primanjem mnogo manje toplote iz tla tokom leta, dok se tokom zime gubi manje toplote ka tlu u poređenju sa konvencionalnim zidom.

Pored toga, otkriveno je da mnogi jeftini materijali imaju ovu jedinstvenu sposobnost, uključujući polipropilenske kese za čips, što bi moglo biti korisno za mesta bez klima-uređaja i popraviti toplotnu udobnost i čak ljudsko zdravlje.

Nije reč o nekoj dalekoj budućnosti, mnogo toga se može uraditi odmah, kaže Raman.

Istraživači sa Univerziteta Kolumbija u Njujorku su naneli superrashladnu farbu na talasasti zid – ali samo na strane sa talasastim obrascem okrenute ka nebu. Zatim su postavili metal sa niskom apsorpcijom toplote na stranu okrenutu ka tlu. Temperatura površine zida ostala je 2-3 stepena manja od temperature okolnog vazduha.

Druge tehnologije pokušavaju da rashlade gradove odozdo. Istraživači sa Državnog univerziteta Arizone testirali su reflektivnu „rashladnu podlogu“. Visokoreflektivni sloj je jednostavno svetlije obojeni, asfaltni premaz koji se može koristiti umesto konvencionalnog tamnog sloja koji se nanosi radi održavanja površine.

Tokom ranog popodneva, površinska temperatura rashladne podloge bila je skoro osam stepeni manja nego u okolini, a temperatura vazduha iznad nje bila je 0,8 stepeni manja.

Iako druga cifra možda ne izgleda značajno, istraživači kažu da bi se – ako biste mogli ohladiti ceo grad Feniks u Arizoni za 0,6 stepeni – potrošnja energije i vode smanjila i čak popravili zdravstveni ishodi. Procenjuju da bi samo redukcija upotrebe klima-uređaja uštedela oko 20 miliona dolara.

Materijali koji menjaju oblik

Mohamad Taha sa Melburnskog univerziteta ima drugačiji pristup rashlađivanju kuća i zgrada. Početkom 2023. godine su opisana „fazno promenljiva mastila“ od nanočestica koje menjaju stanje u zavisnosti od temperature – transformišući se iz superprovodnika na hladnim temperaturama u metal na toplijim temperaturama.

Taj trik omogućava materijalu da ostane hladan ili topao zavisno od spoljnje temperature – kad se materijal zagreje i postane metal, usvaja linearnu strukturu koja može da reflektuje višak toplote; kad se ohladi i postane superprovodnik, materijal usvaja izolirajuću cik-cak strukturu koja prima toplotu.

Ovo mastilo bi se moglo upotrebiti kao premaz za prozore, koji su najkritičnija tačka u pogledu toplote.

Od laboratorije do gradova

Još nije jasno koja od ovih rashladnih tehnologija će imati veliki uticaj u budućnosti. Mnoge nisu izašle iz laboratorije, a neke su primenjene samo u malim razmerama. Zbog toga je potrebna pažljiva evaluacija svih novih materijala.

Rasladna podloga, na primer, reflektuje zračenje nagore, tako da će neko kad je Sunce visoko na nebu osećati reflektovano zračenje odozdo pored zračenja odozgo. Istraživači kažu da bi taj način bio manje pogodan u oblastima kao što su igrališta, gde osobe možda provode mnogo vremena usred dana. Bolja opcija bi bila upotreba na pešačkim prelazima.

Takođe je pitanje koliko dobro će superrashladni materijali funkcionisati u raznovrsnim klimatima. Ako je oblačno ili vlažno, na primer, takvi materijali bi mogli biti manje efikasni – zato što vodena para zarobljava infracrveno zračenje, sprečavajući da ode u svemir. S druge strane, čak i ako ne mogu dovoljno smanjiti temperaturu vazduha, superrashladni materijali ga neće ni zagrejati.

Još jedna nepoznata je da li će ljudi prihvatiti ideju. Čak ni jednostavna mera zamene starih krovova laganijim, reflektivnijim krovovima nije široko prihvaćena.

Ipak, nekoliko gradova testira i primenjuje različite tehnologije. Los Anđeles, na primer, postavlja rashladne podloge u cilju povećanja hladnih površina za 30% do 2045.

Mateos Santamuris, fizičar sa Univerziteta Novog Južnog Velsa u Sidneju, i njegov tim su primenili slične materijale u više od 300 velikih projekata širom sveta. Na primer, Rijad je prihvatio da opremi zgrade i sa rashladnim i sa superrashladnim materijalima i da udvostruči broj navodnjavanog drveća.

Procenjuje se da će dodavanje superrashladnih materijala imati najveći uticaj. Tržiste se povećava u ogromnoj meri, ima sve više industrijskih proizvođača širom sveta.

(Telegraf Nauka/Nature)