استفاده از سرمایش تشعشعی در ساخت آنتنها
اگر سازههای مخابراتی به درستی طراحی شوند، میتوانند از طریق انتشار تابشی گرما به فضای بیرونی، خود را بهشکل غیر فعال خنک کنند. برای اولین بار، ادن رافائلی (Eden Rephaeli) و همکارانش، یک ساختار فوتونیک فلزی – دیالکتریک را ارائه کردند که قادر به خنکسازی تابشی در شرایط محیطی در طی روز است. این ساختار بهعنوان یک آینه عریض در مقابل نور خورشید رفتار میکند، در حالی که به طور همزمان، تابش فروسرخ – میانی (Mid-IR region from 4000-400 cm-1) با شدت زیاد در لایه، شفافیت جوی دارد و قدرت خنککنندگی خالص بیش از 100 وات بر مترمربع در دمای محیط را به دست میآورد. این خنکسازی در حضور تبادل حرارتی همرفتی/رسانا و شرایط جوی غیر ایدهآل ادامه مییابد. در ادامه پس از توضیح مختصری در خصوص روش سرمایش تشعشعی، انواع ساختار آن که عمدتا براساس نوع ساختمان و چینش لایههاست، بررسی خواهد شد.
سرمایش تشعشعی چیست؟
جسمی که روی سطح زمین قرار دارد از چهار روش با محیط پیرامون خود (اتمسفر و خورشید) انرژی مبادله میکند.
اول: جسم بر طبق قانون پلانک، از خود انرژی الکترومغناطیسی ساطع میکند (مطابق با دمایی که دارد). دوم: انرژی الکترومغناطیسی ساطعشده توسط ذرات اتمسفر، جذب جسم میشود. سوم: بخشی از تشعشعات ساطعشده توسط خورشید، جذب جسم میشود. چهارم: جسم با هوای مجاورش مبادله گرمایی رسانشی و همرفتی دارد. این مبادلات بهطور نمادین در شکل 1، نمایش داده شده است. برآیند این مبادلات را بدینصورت نمایش میدهیم:
P(net ) = P(rad )– P(sun ) – P(atm ) – P(non-rad)
شکل 1: روشهای مبادله حرارت جسم با محیط اطراف
اگر برآیند مبادلات عددی منفی باشد به معنی آن است که جسم از محیط اطراف انرژی دریافت میکند و این باعث افزایش دمای جسم میشود. اگر عددی مثبت باشد، به معنی آن است که جسم، انرژی از دست میدهد و این باعث کاهش دمایش میشود. به این پدیده، سرمایش تشعشعی گفته میشود. توجه شود که این پدیده یک پدیده پسیو است و بدون مصرف انرژی اضافی، این سرمایش صورت میگیرد.
اغلب در شب این پدیده بهصورت طبیعی وجود دارد و به همین خاطر است که انسان در شب با بدن برهنه احساس خنکی میکند. همچنین، تشکیل شبنم نیز به این پدیده برمیگردد. در روز به علت تشعشع زیاد خورشید ()، این پدیده بهشکل طبیعی وجود ندارد. در سال 2013 نشان داده شد که این امر با طراحی سطوح ویژهای قابل انجام است. این سطوح باید در محدوده طول موج 8 تا 13 میکرومتر دارای ضریب گسیل (جذب) بالا و همچنین در محدوده طول موج 0.3 تا 3 میکرومتر دارای ضریب بازتاب بالا (نزدیک یک) باشند [1]. از آن سال تا کنون تلاشهای بسیاری جهت طراحی و ساخت سطوح با این ویژگی صورت گرفته است؛ در نمونه اخیر آن [2]، ایجاد تخلخلهای نانو و میکرومتری در پلیمر PEO باعث ایجاد این 2 ویژگی در ماده شده است.
انواع ساختارهای سرمایش تشعشعی
از سال 2013 تاکنون، ساختارهای گوناگونی جهت تحقق سرمایش تشعشعی در روز ارائه شده است. این ساختارها که دارای ابعاد نانو و میکرومتری هستند، در پنجره انتقال اتمسفر (طول موج 8 تا 13 میکرومتر) جذب بالا و در طول موجهای خورشیدی (0.3 تا 3 میکرومتر) بازتاب حداقل 90 درصد دارند.
ساختارهای ارائه شده در مقالات را میتوان از نظرهای متفاوتی تقسیمبندی کرد. ما این ساختارها را عمدتا بر اساس نوع ساختمان و چینش لایهها به پنج دسته تقسیمبندی و چند ساختار مهم را در این دستهها بیان میکنیم.
ساختارهای چندلایه
ساختارهای چندلایه به علت سادگی و راحتی در ساخت، از ساختارهای محبوب طراحان است. در این ساختارها، لایههای بالایی، شرط تحقق جذب در پنجره انتقال اتمسفر و لایههای زیرین، شرط تحقق بازتاب در امواج خورشیدی را برعهده دارند. طراحان عموما برای راحتی، از فلز نقره که بهطور ذاتی بازتاب بالایی در امواج مرئی و فروسرخ دارد برای لایههای زیرین استفاده میکنند. در ادامه، یک ساختار مهم را در این دستهبندی بررسی میکنیم.
ساختار هفتلایه مبتنی بر اکسید سیلیسیوم و هافنیوم
این ساختار از هفت لایه دیالکتریک ساخته شده که روی یک لایه نقره و تیتانیوم قرار دارد (شکل 2 الف). سه لایه بالایی، وظیفه برآورده کردن گسیل در پنجره انتقال و چهار لایه زیرین به همراه نقره، وظیفه تحقق بازتابش خوب در طیف خورشید را دارند. برای آزمون عملی، این نمونه مقابل نور مستقیم خورشید قرار داده شد و به پنج درجه زیر دمای محیط رسید (توان تابشی خورشید در مکان آزمایش حدودا برابر 900 وات بر مترمربع بوده است). همانطور که در شکل (2 ب) و (2 ج) دیده میشود، این ساختار، 97 درصد تابش خورشید را برمیگرداند و متوسط ضریب گسیل آن در پنجره انتقال حدودا 0.65 است [3].
(الف) …………………………………………………………….(ب) …………………………………………………………………(ج)…………………………………..
شکل 2: الف) ساختار هفتلایه سرمایش تشعشعی ب و ج) نتایج عملی ساختار هفتلایه، گسیل در امواج خورشیدی و فروسرخ [3]
ساختارهای تناوبی
ساختارهای تناوبی[1] دو بعدی یا کریستالهای فوتونی از ساختارهای دیگری است که مورد توجه طراحان قرار گرفته است. پریود این ساختارها نانومتری است و از اینرو، ساخت این ساختارها نیازمند دقت و هزینه بالایی است. در ادامه، 2 ساختار مهم را بررسی میکنیم.
ساختار چندلایه با تناوب در 2 بعد
اولین ساختار برای تحقق سرمایش تشعشعی در روز در [4] پیشنهاد شده است (شکل 3 الف). لایههای بالایی، وظیفه تحقق شرط جذب و لایههای نانومتری MgF2 و TiO2 به همراه نقره وظیفه تحقق شرط بازتاب را دارند. ضریب جذب این ساختار در شکل (3 ب) قابل مشاهده است. لازم بهذکر است که این ساختار صرفا یک نمونه تئوری است و با نادیدهگرفتن گرمای غیر تشعشعی میتواند حدود 40 درجه سردتر از محیط شود.
شکل 3: ساختار چندلایه با تناوب در 2 بعد الف) ساختار ب) نمودار جذب در تئوری [4]
هرمهای تناوبی
این ساختار از جاذبهای مایکروویو الهام گرفته و برای تحقق جذب در باند 8 تا 13میکرومتر طراحی شده است (شکل 4). [5]
(الف)……………………………………………………………………………..(ب)
شکل 4
هرمها از ماده UVA که ذاتا جاذب خوبی در فروسرخ بوده، تشکیل شده است (شکل 5). تناوب ساختار نسبت به طول موج محدوده پنجره انتقال، قابل مقایسه است و درنتیجه، در این محدوده این ساختار یک کریستال فوتونی بهحساب میآید. در برخورد موج به این ساختار، موج تابشی میتواند به مرتبههای تفرقی بیشتری در هرمها نسبت به هوا کوپل شود و به این دلیل، جذب UVA تناوبی نسبت به یک لایه UVA معمولی غیر تناوبی بیشتر است. لازم بهذکر است که تناوب این ساختار نسبت به طول موج خورشیدی بزرگ محسوب میشود و درنتیجه، امواج خورشید این ساختار را یکپارچه میبیند و از آن عبور میکند.
شکل 5: الف) نمودار بازتاب و ب) انتقالUVA معمولی (غیر تناوبی) با ضخامت 102 میکرومتر [5]
شکل 6: الف) تصویر SEM ساختار هرمهای تناوبی ب) نمودار جذب ساختار در مقایسه با ساختارهای دیگر [5]
با گذاشتن یک لایه نقره معمولی در زیر ساختار، شرط بازتاب نیز تحقق مییابد. نتایج زیر در تابستان گزارش شده است:
- کاهش 1.2 درجهای بدون لایه زیرین نقره
- کاهش 7.7 درجهای با لایه نقره زیرین
ساختارهای بر پایه نانو ذرات
این ساختارها عموما از نانوذرات ذاتا جاذب (در محدوده پنجره انتقال) و در بستر پلیمر بهره میبرند تا شرط جذب را محقق کنند. این نانوذرات، حجم کمی از پلیمر را اشغال میکنند. معمولا پلیمر مورد استفاده در محدوده مرئی شفاف است و زیر این پلیمر، یک فلز دارای بازتاب بالا در محدوده امواج خورشیدی قرار داده میشود. درنتیجه، نورخورشید پس از عبور از پلیمر به فلز برمیخورد و از فلز، بازتاب شده و پس از عبور از پلیمر وارد اتمسفر میشود. در ادامه یک ساختار مهم که قابل تجاریسازی است را توضیح میدهیم.
کرههای تصادفی سیلیکا درون پلیمر TPX
این ساختار دارای قابلیت ساخت در ابعاد بزرگ است و از پلیمر رایج TPX[2] با ضخامت50 میکرومتر ساخته شده که کرههای SiO2 با قطر حدودی 8 میکرومتر درون آن بهصورت تصادفی و یک لایه 200 نانومتری نقره زیر TPX قرار داده شده است [6].
TPX جزو سبکترین پلیمرها بوده و در فرکانسهای تراهرتز و نوری شفاف است. همچنین، ضریب شکست آن حدودا 1.46 بوده و تلف آن تا طول موجهای میلیمتری خیلی کم است و در مقابل گرما مقاومت خوبی دارد. عملکرد ساختار بهطور نمادین در شکل (7 الف) نمایش داده شده است.
این ساختار در محدوده مادون قرمز، انتقال متوسط بزرگتر از 0.93 دارد و وقتی با یک لایه 200 نانومتری نقره پوشیده شود حدود 96 درصد تابش خورشیدی را بازتاب میکند.
شکل7: A) عملکرد ساختار B) نمونه عملی ساخته شده و تصویر کرهها درون TPX، کرهها حدودا 6 درصد حجم را اشغال کردهاند [6]
ساختارهای بر پایه پلیمر
در سالهای اخیر، ساختارهای بر پایه پلیمر مورد توجه قرار گرفته است و دلیل عمده آن، سهولت ساخت و تنوع زیاد مواد پلیمری است. در ادامه، یک ساختار را در این دستهبندی بررسی میکنیم.
پلیمر متخلخل
اساس این ساختار، پلیمر P(VdF-HFP) است. این پلیمر[3]، دارای ضریب شکست بسیار مناسب برای هدف سرمایش تشعشعی است. ضریب جذب (κ) این پلیمر در باند مرئی صفر و در محدوده پنجره انتقال دارای قلههایی است که درنتیجه بهشکل ذاتی جذب بالایی در این محدوده دارد (شکل8) [7].
(الف)……………………………………………………………………………………………………………..(ب)
شکل 8: الف) ضریب شکست حقیقی (n) و موهومی (κ) پلیمر P(VdF-HFP) ب) ساختار مولکولی پلیمر P(VdF-HFP) [7]
با استفاده از فرآیند شکل 9، حبابهای هوا (با سایزهای مناسب که در ادامه توضیح داده میشود) درون این پلیمر ایجاد میشود و اصطلاحا پلیمر، متخلخل میشود.
شکل 9: فرآیند متخلخل کردن پلیمر [7]
تصویر SEM ساختار و سایز تخلخلهای ایجاد شده در شکل 10 نمایش داده شده است.
(الف)
(ب)……………………………………………………………………………………………….(ج)
شکل 10: الف) تصویر پلیمر متخلخل ب) توزیع سایز تخلخلها ج) تاثیر تخلخلها بر پراکندهسازی موج برخوردی [7]
قابل مشاهده است که سایز تخلخلها در اطراف 5.4 میکرومتر و 0.2 میکرومتر متمرکز شدهاند. به بیان دیگر، 2 نوع تخلخل نانومتری و میکرومتری در این ساختار ایجاد شده است.
شکل 11: الف) 2 نوع تخلخل ایجاد شده در ساختار ب) نمودار جذب در فروسرخ [7] نمودار قرمز مربوط به پلیمر متخلخل و نمودار آبی مربوط به پلیمر معمولی
تخلخلهای میکرومتری باعث بهبود جذب در باند 8 تا 13 میکرومتر میشود (شکل11 ب) و تخلخلهای نانومتری باعث بازتاب مناسب در باند 0.3 تا 2.5 میکرومتر میشود (شکل 12 الف). همچنین به علت تصادفی بودن این تخلخلها، حساسیت جذب و بازتاب نسبت به زاویه تابش کم میشود (شکل12).
شکل 12: الف) نمودار بازتاب پلیمر متخلخل ب) حساسیت بازتاب متوسط بر حسب زاویه تابش ج) حساسیت جذب متوسط بر حسب زاویه تابش د) نمودار جذب متوسط بر حسب زاویه تابش با و بدون تخلخلها [7]
بازتاب متوسط و جذب متوسط این ساختار با شرایط تخلخل تقریبا 50 درصد و ضخامت بالاتر از 300 میکرومتر بهصورت زیر گزارش شده است:
همچنین کاهش حدود 6 درجهای نسبت به دمای محیط (در زیر نور خورشید) گزارش شده است. از مزایای این ساختار این است که با این ماده دیگر نیازی به عایق حرارتی نیست و گزارش 6 درجه کاهش بدون قرار دادن عایق حرارتی دیگری است.
ساختارهای طبیعی
در طبیعت و بهخصوص در مناطق بیابانی میتوان جانورانی یافت که با وجود فعالیت زیاد روزانه، با نوشیدن اندکی آب دوام میآورند. یکی از دلایل آن، جذب کم نور خورشید توسط پوشش بیرونی آنان است. با بررسی پوشش این جانوران، میتوان از آن برای طراحی پوششهای مصنوعی ایده گرفت. بهعنوان نمونه، میتوان به مورچه صحرا اشاره کرد [8].
منابع
[1] E. Rephaeli, A. Raman, and S. Fan, “Ultrabroadband photonic structures to achieve high-performance daytime radiative cooling,” Nano Lett., vol. 13, pp. 1457–1461, 2013.
[2] D. Li, S. Fan, J. Zhu et al., “Scalable and hierarchically designed polymer film as a selective thermal emitter for high-performance all-day radiative cooling,” Nat. Nanotechnol., 2020.
[3] A. Raman, M. A. Anoma, L. Zhu, E. Rephaeli, and S. Fan, “Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight,” Nature, vol. 515, pp. 540-544, 2014.
[4] E. Rephaeli, A. Raman, and S. Fan, “Ultrabroadband photonic structures to achieve high-performance daytime radiative cooling,” Nano Lett., vol. 13, pp. 1457–1461, 2013.
[5] M. Gao et al., “Approach to fabricating high-performance cooler with near-ideal emissive spectrum for above-ambient air temperature radiative cooling,” Sol. Energy Mater. & Sol. Cells, vol. 200, p. 110013, 2019.
[6] Y. Zhai et al., “Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling,” Science, vol. 355, pp. 1062–1066, 2017.
[7] J. Mandal et al., “Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling,” Science, vol. 362, pp. 315–319, 2018.
[8] N. N. Shi, C. C. Tsai, F. Camino, G. D. Bernard, N. Yu, and R. Wehner, “Keeping cool: Enhanced optical reflection and radiative heat dissipation in Saharan silver ants,” Science, vol. 349, pp. 298–301, 2015.
پینوشت
[1] periodic
[2] polymethylpentene (PMP)
[3] hierarchically porous polymer
