Con el aumento de las temperaturas y las olas de calor que alteran la vida en todo el mundo, las soluciones de enfriamiento se vuelven cada vez más esenciales. Este es un problema crítico, especialmente en los países en desarrollo, donde el calor del verano puede ser extremo y se prevé que se intensifique.Como los acondicionadores de aire son caros, consumen cantidades significativas de energía, requieren acceso fácil a la electricidad y, a menudo, requieren refrigerantes que agotan el ozono o tienen un fuerte efecto invernadero.
Una alternativa a estos métodos de enfriamiento intensivo en energía es el enfriamiento radiativo pasivo diurno PDRC, un fenómeno en el que una superficie se enfría espontáneamente al reflejar la luz solar y al irradiar calor a la atmósfera más fría. El PDRC es más efectivo si una superficie tiene una alta reflectancia solarR que minimiza la ganancia de calor solar y una alta emisión térmica Ɛ que maximiza la pérdida de calor por radiación en el cielo. Si R y Ɛ son lo suficientemente altos, puede ocurrir una pérdida neta de calor, incluso bajo la luz solar.
El desarrollo de diseños prácticos de PDRC ha sido un desafío: muchas propuestas de diseño recientes son complejas o costosas, y no pueden implementarse ni aplicarse ampliamente en tejados y edificios, que tienen diferentes formas y texturas. Hasta ahora, pinturas blancas, que son económicas y fácilespara aplicar, han sido el punto de referencia para PDRC. Sin embargo, las pinturas blancas suelen tener pigmentos que absorben la luz ultravioleta y no reflejan muy bien las longitudes de onda solar más largas, por lo que su rendimiento es, en el mejor de los casos, modesto.
Los investigadores de Columbia Engineering han inventado un revestimiento exterior de polímero PDRC de alto rendimiento con huecos de aire de nano a microescala que actúa como un enfriador de aire espontáneo y puede fabricarse, teñirse y aplicarse como pintura en tejados, edificios, tanques de agua,vehículos, incluso naves espaciales, cualquier cosa que se pueda pintar. Usaron una técnica de inversión de fase basada en solución que le da al polímero una estructura similar a la espuma porosa. El vacío de aire en el polímero poroso se dispersa y refleja la luz solar, debido a la diferencia enEl índice de refracción entre los vacíos de aire y el polímero circundante. El polímero se vuelve blanco y, por lo tanto, evita el calentamiento solar, mientras que su emisión intrínseca hace que pierda eficientemente calor al cielo. El estudio se publica en línea hoy en ciencia .
El equipo - Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales; Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada; y Jyotirmoy Mandal, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en el grupo de Yang todo el departamento de física aplicada y aplicadamatemática: construida sobre trabajos anteriores que demostraron que los plásticos y polímeros simples, incluidos el acrílico, la silicona y el PET, son excelentes radiadores de calor y podrían usarse para PDRC. Los desafíos fueron cómo lograr que estos polímeros normalmente transparentes reflejen la luz solar sin usarespejos plateados como reflectores y cómo hacerlos fácilmente desplegables.
Decidieron usar la inversión de fase porque es un método simple, basado en solución, para hacer huecos de aire con dispersión de luz en polímeros. Los polímeros y solventes ya se usan en pinturas, y el método de Ingeniería de Columbia esencialmente reemplaza los pigmentos en blancopintar con huecos de aire que reflejen todas las longitudes de onda de la luz solar, desde UV hasta infrarrojo
"Esta modificación simple pero fundamental produce una reflectancia y una emisión excepcionales que igualan o superan a las de los diseños PDRC de última generación, pero con una comodidad que es casi como una pintura", dice Mandal.
Los investigadores encontraron que la alta reflectancia solar de su recubrimiento de polímero R> 96% y su alta emisión térmica Ɛ ~ 97% lo mantenían significativamente más frío que su entorno bajo cielos muy diferentes, por ejemplo, a 6˚C en el cálido y árido desiertoen Arizona y a 3 ° C en el ambiente nebuloso y tropical de Bangladesh ". El hecho de que el enfriamiento se logra tanto en climas desérticos como tropicales, sin ninguna protección térmica o blindaje, demuestra la utilidad de nuestro diseño donde sea que se requiera enfriamiento", señala Yang.
El equipo también creó recubrimientos de polímeros coloreados con capacidades de enfriamiento al agregar tintes. "Lograr un equilibrio superior entre el color y el rendimiento de enfriamiento sobre las pinturas actuales es uno de los aspectos más importantes de nuestro trabajo", señala Yu ". Para recubrimientos exteriores, ella elección del color es a menudo subjetiva, y los fabricantes de pinturas han estado tratando de hacer recubrimientos de colores, como los de los techos, durante décadas ".
El grupo tomó en consideración los problemas ambientales y operativos, como la reciclabilidad, la biocompatibilidad y la operabilidad a altas temperaturas, y demostró que su técnica se puede generalizar a una variedad de polímeros para lograr estas funcionalidades ".clase diversa de materiales, y debido a que esta técnica es genérica, se pueden integrar convenientemente propiedades deseables adicionales en nuestros recubrimientos PDRC, si están disponibles los polímeros adecuados ", agrega Mandal.
"La naturaleza ofrece muchas maneras de calentar y enfriar, algunas de las cuales son extremadamente bien conocidas y ampliamente estudiadas y otras que son poco conocidas. El enfriamiento radiativo, al usar el cielo como un disipador de calor, pertenece al último grupo, ysu potencial ha sido extrañamente pasado por alto por los científicos de materiales hasta hace unos años ", dice el profesor de física de la Universidad de Uppsala, Claes-Göran Granqvist, pionero en el campo del enfriamiento radiativo, que no participó en el estudio". La publicación de Mandal et al.. destaca la importancia del enfriamiento radiativo y representa un avance importante al demostrar que los recubrimientos poliméricos jerárquicamente porosos, que pueden prepararse de manera económica y conveniente, brindan un enfriamiento excelente incluso a plena luz solar ".
Yang, Yu y Mandal están refinando su diseño en términos de aplicabilidad, mientras exploran posibilidades como el uso de polímeros y solventes completamente biocompatibles. Están en conversaciones con la industria sobre los próximos pasos.
"Ahora es un momento crítico para desarrollar soluciones prometedoras para una humanidad sostenible", señala Yang. "Este año, fuimos testigos de olas de calor y temperaturas récord en América del Norte, Europa, Asia y Australia. Es esencial que encontremossoluciones a este desafío climático, y estamos muy entusiasmados de trabajar en esta nueva tecnología que lo aborda "
Yu agrega que solía pensar que el blanco era el color más inalcanzable: "Cuando estudié la acuarela hace años, las pinturas blancas eran las más caras. Cremnitz blanco o plomo blanco fue la elección de los grandes maestros, incluidos Rembrandt y Lucian Freud. Ahora hemos demostrado que el blanco es, de hecho, el color más alcanzable. Se puede hacer usando nada más que huecos de aire del tamaño adecuado incrustados en un medio transparente. Los huecos de aire son los que hacen que las hormigas blancas como la nieve y la plata sahariana sean plateadas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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