光子輻射的宇宙降溫術

光子輻射的宇宙降溫術

根據科學家的研究,全美國建築物的能源消耗中,約有15%用於冷氣空調系統。史丹福大學的一組科學家們發明了一種玻璃建材,可以將建築的「熱」射入太空,讓浩瀚宇宙,為它降溫。

文/陳淑芬 圖片提供/ NASA、《Nature》網站、史丹福大學網站

這組史丹福大學的科學家,由來自中國大陸的電機工程學教授范汕洄領導,發明的一種創新超薄多層材料,將之塗在鏡子上成為高效隔熱玻璃建材,可以在炎夏烈日下,不需冷氣空調即可為建築物降溫──藉由光子輻射將熱傳導至太空中,同時也可以將陽光反射出去,以減少光熱的傳導,並避免建築發燒。

這項發明也寫出了論文,發表於英國百年權威科學期刊《自然》(Nature)。

利用光子輻射冷卻 傳熱不導熱

史丹福大學開發的鏡子建材, 可反射97 % 的太陽可見光,也可以將看不見的紅外線輻射光反射出去,利用輻射冷卻¹ 的原理來為建築散熱,更重要的是,也不會使周遭環境升溫!

熱與冷是相對的,具有一定的均衡,夏季於室內開冷氣空調,就一定會有熱被排出,冷氣在運轉中也會排熱。

當建築升溫時,這面高效能的鏡子會以特定波長的紅外線散熱,而且輕易地將熱能傳送通過大氣層,到達外太空。傳導過程中,也不會使大氣層升溫。

要使物體降溫,需要散熱器來排除不想要的熱能。散熱器的溫度必須低於需要降溫的物體,否則就無法發揮功能。

就像一桶冰塊可以令一瓶香檳降溫, 這桶冰塊就是香檳的散熱器。史丹福的鏡子建材就是利用攝氏負270 度的超級散熱器,也就是外太空來降溫。

註:輻射冷卻是指物體透過輻射散去熱能的過程。

利用紅外線光 甩掉熱能

肉眼不可見的紅外線輻射光,是所有物體和生物甩開熱的方式/形式之一。

當站在一座封閉的烤爐前面,即使不接觸烤爐也可以感覺到熱氣騰騰撲面而來,此時所感覺到的熱,就是來自紅外線光。

這種肉眼看不見、承載著熱能的光,就是史丹福大學利用於發明,將熱與建築物隔離開來,並將之發送到太空的那一種光之形式。

當然,太陽光也會讓建物變熱。這種新材料,除了「處理」紅外線光,同時也是一面令人驚艷的高效能鏡子,可以將幾乎所有陽光反射出去。

其結果就是史丹福大學的研究小組稱為「光子輻射冷卻」的技術,一種雙重功能的發明,可以從建築物內部卸載紅外線光的熱能,同時也將令建築物發熱的陽光反射出去。

可讓建築比周遭環境低攝氏5 度, 需求較少量的空調。建築設計、建造得宜,甚至可以不需要空調。

「現在, 我們不僅在晚上, 在白天也可以可以使用輻射來冷卻,」光子學先驅、加州大學柏克萊分校的工程學教授EliYablonovitch 說, 他亦曾經主導美國「高能效電子科學中心」。

「正在變暖的地球,需要不用到能源的冷卻技術。」團隊成員拉曼(AaswathRaman)說,他是發表於《自然》期刊論文的第一作者,「縱觀整體開發中國家,光子輻射冷卻技術將使得『不用電降溫』,在能源匱乏的偏遠、農村地區成為可能。並且,在大都會區,還可滿足暴漲的空調需求。」

光子輻射冷卻模型

史丹福大學科學家在屋頂建構光子輻射冷卻模型,以實驗其所發明的塗層,反射97%陽光與不可見紅外線輻射光,為建築降溫的效率

宇宙來幫忙 讓地球不再發燒

這項發明真正的突破在於, 如何將熱「輻射遠離」建築物。

熱以3 種方式傳遞:傳導、對流和輻射。

傳導就是以接觸來傳熱──這就是為什麼你不戴隔熱手套時,就絕對不會去碰烤盤。

對流,則將熱藉由流體或空氣的運動來傳遞──這就是烤箱打開時所衝出來的熱氣。

輻射,則以從物體向外發散的紅外線光來傳導熱能,這是肉眼看不見的,也是史丹福科學家們所採用的。

此複層材料只有1.8 微米厚,相當於約千分之2 公釐,比最薄的鋁箔還薄。此超薄塗層經過精心構建,以精確的頻率自建築物散發紅外線輻射光,允許它穿過大氣層,同時又能不將空氣變暖。

在當前全球氣候變暖的危機下,可說是最關鍵的主要功能。「可以試把它想成一扇面對太空的窗戶,」范汕洄教授說。

奈米光電學佳例 面向太空的玻璃窗

但是,光靠塗層想將熱量傳遞到太空是不夠的。將之塗在玻璃上,還可充當高效能的鏡子, 可防止97 %太陽光射到建築物上、並加熱它。

「我們創造了一個散熱器,也恰好是一面絕佳的鏡子,」拉曼說。

輻射和反射兩相加總,使得這面「光子輻射冷卻器」,在白天可比周圍的空氣,低上近華氏9 度。

第一層是可反射光線的白銀,由二氧化矽與氧化鉿層層交錯堆疊,提高反射能力,也讓鏡子轉變成輻射散熱器,而不讓大樓周身升溫。

當二氧化矽升溫時,會將紅外線以約10 微米的波長將熱能輻射出去。由於大氣層中,沒什麼物質能以這種波長吸收熱能,因此熱能就會直接傳遞到外太空。

將之置於屋頂上, 當暴露在直射陽光下,超過每平方米850 瓦特的熱能時,這面光子輻射冷卻器,可將建築冷卻至低於環境溫度攝氏4.9 度,實驗中的鏡子並具有每平方米40.1 瓦特的冷卻功率。

「利用光子學, 使我們有能力可以微調反射太陽光和紅外線熱輻射光,」該團隊中的應用物理博士候選人,以及該論文的共同作者朱臨曉(音譯)說。

麻省理工學院物理學教授Marin Soljacic 則讚道:「這是展現奈米光子學的能力的絕佳範例。」

史丹福大學發明的鏡子建材

將史丹福大學發明的鏡子建材建置於屋頂,可將帶著熱能的不可見紅外線輻射光,反射至超級冷卻器——外太空。

每年可省100 兆瓦的電

安裝鏡子的成本介於每平方公尺20 至70 美元之間, 相當於新台幣640至2,240 元,如若安裝於一棟3 層樓建築的屋頂上,每年可節省100 兆瓦的電,可阻隔陽光的熱能,但不會將屋內的熱能導散。

范汕洄表示,此高效能鏡子建材並不會來減緩全球暖化,「屋頂只占地球表面的小部分;此建材對於降低溫室氣體排放的貢獻,只在於減少電力消耗。」

 

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