Radiativ kjøling bekjemper klimaendringer ved å bruke verdensrommet som varmesenke

Når byer vokser og fortettes, blir det flere flater av betong og asfalt. Bygninger og veier tar opp varme, noe som varmer opp omgivelsene og øker behovet for klimaanlegg. Utslippene avhenger blant annet av energikilden. Derfor har et forskerteam ved University of Maryland utviklet en løsning: et mikroporøst belegg kalt kjøleglass, presentert i 2023, som benytter strålingskjøling. Det er et glassholdig belegg, ikke vanlig gjennomsiktig vindusglass.

Et gjennombrudd innen strålingskjøling

Klimaarbeidet omfatter også mer effektiv bruk av elektrisiteten vi produserer. Kjøleglasset kombinerer to mekanismer: høy albedo, som reflekterer mye solstråling, og avgivelse av varme som infrarød stråling til verdensrommet gjennom bølgelengdeområder der atmosfæren er forholdsvis gjennomsiktig. Reflektert sollys og utsendt varmestråling er forskjellige prosesser. Den kosmiske bakgrunnen på rundt −270 °C fungerer som en kald referanse; vakuum transporterer ikke bort varme ved konveksjon.

I sin forskningsartikkel beskriver forfatterne materialet slik:

«En uordnet fotonisk kompositt med en mikroporøs glassstruktur som gir selektiv utsending av langbølget infrarød stråling og forholdsvis høy solreflektans, samt aluminiumoksidpartikler som sprer sollyset kraftig og hindrer den porøse strukturen i å fortettes under produksjonen.»

Belegget ga gode resultater under ulike forhold. Produksjonsmetoden kan egne seg for større skala, men i 2023 fortsatte forskerne arbeidet med ytterligere testing og praktiske anvendelser.

Kilde: www.cera.cool

Om ytelsen heter det i studiens sammendrag:

«Dette mikroporøse glassbelegget muliggjør et temperaturfall på rundt 3,5 °C midt på dagen og 4 °C om natten, selv i miljøer med høy luftfuktighet på opptil 80 prosent.»

De detaljerte målingene presiserer forholdene: midt på dagen var belegget omtrent 3,5 °C kaldere enn omgivelsesluften på 30 °C, ved 30 prosent relativ luftfuktighet. Om natten lå det omtrent 4 °C under lufttemperaturen på 17,5 °C, ved opptil 80 prosent luftfuktighet. Simuleringer av tak på middels høye leilighetsbygg viste en mulig reduksjon på rundt 10 prosent i årlige kjølerelaterte CO₂-utslipp. Dette var ikke en generelt målt reduksjon i alle utslipp fra bygningen.

Strålingskjøling er ikke nytt. Det interessante her er kombinasjonen av ytelse, bestandighet i utendørsmiljø og muligheten til å produsere materialet i større skala.

Hva er en kjøleribbe?

En kjøleribbe tar opp varme fra en annen gjenstand og avgir den til omgivelsene. I elektronikk og mekaniske systemer motvirker den overoppheting. Kontakt med en varm komponent gir vanligvis varmeledning; overføring til omgivelsene kan skje ved konveksjon og stråling. Kjøleglasset som beskrives her, avgir energi som infrarød stråling mot himmelen og verdensrommet.

De viktigste prosessene og egenskapene ved en kjøleribbe er følgende:

Varmeledning: varme overføres gjennom et materiale. En varm komponent, for eksempel en prosessor, overfører varme til kjøleribben den er i kontakt med.

Materiale: aluminium og kobber er vanlige fordi de leder varme godt. De transporterer varmen bort fra komponenten og fordeler den over et større område.

Utforming og overflateareal: ribber og andre strukturer øker arealet for varmeutveksling. Mer luft kan da komme i kontakt med kjøleribben, noe som forbedrer varmeavgivelsen.

Konveksjon: luft eller væske som strømmer over overflaten, fører varme bort. Passiv kjøling benytter blant annet naturlig luftsirkulasjon, mens vifter og pumper kan forsterke overføringen i aktive systemer.

Stråling: kjøleribben avgir også energi som infrarød stråling, noe som bidrar til kjølingen.

Effektiviteten avhenger av materialets varmeledningsevne, utformingen og overflatearealet, omgivelsestemperaturen og luft- eller væskestrømmen. God varmehåndtering bidrar til elektroniske og mekaniske systemers pålitelighet og levetid.

Hva er strålingskjøling?

Strålingskjøling er en naturlig prosess der en gjenstand mister energi ved å sende ut stråling, ved jordnære temperaturer vanligvis infrarød stråling. Prosessen inngår i jordens energibalanse og kan benyttes i ulike teknologier.

De fysiske prinsippene omfatter følgende:

Infrarød stråling: gjenstander sender ut elektromagnetisk stråling der spekteret og intensiteten avhenger av temperaturen. Ved vanlige temperaturer på jordoverflaten ligger strålingen hovedsakelig i det infrarøde området. Gjenstanden kjøles når energitapet overstiger tilførselen, med hensyn også til andre former for varmeutveksling.

Utstråling til verdensrommet: enkelte infrarøde bølgelengdeområder passerer forholdsvis lett gjennom atmosfæren, blant annet vinduet rundt 8–13 mikrometer. En egnet overflate kan dermed avgi varme til verdensrommet. Luftfuktighet, skyer og andre omgivelsesforhold påvirker resultatet.

Kjøling dag og natt: uten sol er det lettere å nå en temperatur under omgivelsesluften. På dagtid motvirkes kjølingen av absorbert solenergi. Et sterkt reflekterende og godt utformet materiale kan likevel gi strålingskjøling om dagen, slik den aktuelle studien viser.

Sammenheng med albedo: albedo beskriver hvor stor del av solstrålingen som reflekteres, ikke bare den synlige delen. Høy albedo reduserer opptaket av solenergi. Strålingskjøling handler om avgitt varmestråling. Egenskapene utfyller hverandre; en mørk overflate kan avgi infrarød stråling og likevel være varm fordi den absorberer mer sollys.

Bruksområder: strålingskjøling undersøkes for bygninger, kjøretøy og tekniske anlegg. Avhengig av utformingen og forholdene kan den redusere strømbehovet til klimaanlegg eller gjøre eksisterende kjølesystemer mer effektive.

Refleksjon av sollys og avgivelse av infrarød stråling er altså forskjellige prosesser som sammen påvirker varmebalansen i naturlige og konstruerte overflater.

Bransjeaktører som takler klimaendringer

Følgende børsnoterte selskaper leverer energi- eller mobilitetsteknologi. De presenteres ikke som produsenter av kjøleglasset i denne studien.

Tabellene beholder de historiske tallene fra artikkelen i november 2023, ikke verifiserte aktuelle markedsdata. Resultat per aksje kan gjenspeile datidens aksjestruktur. Et negativt P/E-tall er ikke en meningsfull verdsettingsmultippel for et selskap med underskudd. De innebygde grafene og kursene kan vise nyere opplysninger.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Prisdiagram

FuelCell Energy (FCEL ) utvikler, produserer, driver og vedlikeholder brenselcellekraftverk. Den elektrokjemiske omdanningen kan forbedre virkningsgraden og redusere enkelte forurensende utslipp sammenlignet med tilsvarende forbrenningsteknologi. Anlegg kan imidlertid bruke naturgass, biogass eller andre brensler og er ikke automatisk fossilfrie eller fri for CO₂-utslipp. Klimanytten avhenger av brenselet, virkningsgraden og eventuell bruk av overskuddsvarme.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Prisdiagram

Brookfield Renewable Partners (BEP ) driver en stor portefølje med vannkraft, vindkraft, solkraft og lagring i Nord- og Sør-Amerika, Europa og Asia. Andelene handles også i Toronto (BEP.UN.TO ). Brookfield Renewable Corporation (BEPC ) er en separat selskapsstruktur der de ombyttbare aksjene tar sikte på å gi økonomisk tilsvarende eksponering som partnerskapets andeler. Verdipapirene tilhører juridisk ulike kategorier. Gruppen retter seg mot langsiktig verdiskaping gjennom fornybare energiaktiva.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Prisdiagram

ChargePoint Holdings (CHPT ) leverer ladeutstyr for elbiler, programvaretjenester og støtte. Løsningene brukes blant annet i boliger, virksomheter, kjøretøyflåter og offentlige områder. Ved å legge til rette for elektrisk transport kan de redusere avhengigheten av oljebaserte drivstoff. Utslippene avhenger også av strømproduksjonen og kjøretøyene.

Andre selskaper som utvikler strålingskjøling

Det privateide CeraCool arbeider med praktisk bruk og oppskalering av strålingskjøling. Det ble grunnlagt av forskere bak kjøleglasset som ble presentert i studien.

CeraCool  utviklet maling som reflekterer sollys og avgir infrarød varme. Selskapet beskriver dette som kjøling uten beleggets eget strømforbruk, ved å reflektere over 95 prosent av solstrålingen og samtidig avgi varme til verdensrommet gjennom atmosfærens transparensvindu. Dette betyr ikke at malingen erstatter alle klimaanlegg under alle forhold. Ifølge selskapet kan den sprøytes eller pensles på flater som blir varme, for eksempel tak og enkelte veiflater.

SkyCool Systems er et annet privateid selskap som arbeider med strålingskjøling.

SkyCool Systems utvikler kjøleløsninger med sterkt reflekterende materialer som avgir infrarød stråling. Panelene kan blant annet forbedre effektiviteten i kjølesystemer med dampkompresjon. Teknologien sikter mot energi- og miljøgevinster der størrelsen avhenger av installasjonen og driftsforholdene.

Avsluttende tanker

Klimaarbeidet må også redusere ineffektiv energibruk som et supplement til bærekraftige energikilder. Strålingskjøling kan bidra. I et TED-foredrag diskuterer Aaswath Raman den mulige selvforsterkende sammenhengen mellom høyere temperaturer, større behov for klimaanlegg og utslippene som følger, og hvordan strålingskjøling kan bidra til å begrense den.

Sammen med andre fremskritt, som solceller i mikrometerstørrelse med kontakter på baksiden, kan initiativer fra selskaper som CeraCool gi fordeler i årene etter artikkelen. Resultatet avhenger av oppskalering og ytelse i praksis.