Radiativ kylning bekämpar klimatförändringar genom att använda rymden som en värmeavledare

När städer växer och förtätas ökar ytorna av betong och asfalt. Byggnader och vägar tar upp värme, vilket värmer omgivningen och ökar behovet av luftkonditionering. Utsläppen beror bland annat på energikällan. Därför har ett forskarlag vid University of Maryland utvecklat en lösning: en mikroporös beläggning som kallas kylglas och presenterades 2023. Den använder strålningskylning. Det handlar om en glashaltig beläggning, inte vanligt genomskinligt fönsterglas.

Ett genombrott för strålningskylning

Klimatarbetet omfattar även effektivare användning av den el vi producerar. Kylglaset kombinerar två mekanismer: högt albedo, som reflekterar mycket solstrålning, och värmeavgivning som infraröd strålning till rymden genom våglängder där atmosfären är relativt genomskinlig. Reflekterat solljus och utsänd värmestrålning är olika processer. Den kosmiska bakgrunden på omkring −270 °C fungerar som kall referens; vakuum transporterar inte bort värme genom konvektion.
I sin forskningsartikel beskriver författarna materialet så här:

”En oordnad fotonisk komposit med en mikroporös glasstruktur som ger selektiv emission av långvågig infraröd strålning och relativt hög solreflektans, samt aluminiumoxidpartiklar som sprider solljus starkt och hindrar den porösa strukturen från att förtätas under tillverkningen.”

Beläggningen gav goda resultat under olika förhållanden. Tillverkningssättet skulle kunna lämpa sig för större skala, men 2023 fortsatte forskarna med ytterligare tester och praktiska tillämpningar.

Källa: www.cera.cool

”Denna mikroporösa glasbeläggning möjliggör en temperatursänkning på omkring 3,5 °C och 4 °C vid middagstid respektive på natten, även i miljöer med hög luftfuktighet på upp till 80 procent.”

De detaljerade mätningarna preciserar villkoren: vid middagstid var beläggningen cirka 3,5 °C kallare än omgivningsluften på 30 °C, vid 30 procents relativ luftfuktighet. Nattetid låg den cirka 4 °C under omgivningsluften på 17,5 °C, vid upp till 80 procents luftfuktighet. Simuleringar av tak på medelhöga flerbostadshus pekade på ungefär 10 procents möjlig minskning av årliga koldioxidutsläpp från kylning. Det var ingen allmänt uppmätt minskning av byggnadens samtliga utsläpp.
Strålningskylning är inget nytt. Det intressanta här är kombinationen av prestanda, beständighet mot utomhusmiljön och möjligheten att tillverka materialet i större skala.

Vad är en kylfläns?

En kylfläns tar upp värme från ett annat föremål och avger den till omgivningen. I elektronik och mekaniska system motverkar den överhettning. Kontakt med en varm komponent ger ofta värmeledning; överföringen till omgivningen kan ske genom konvektion och strålning. Kylglaset som beskrivs här avger energi som infraröd strålning mot himlen och rymden.
De viktigaste processerna och egenskaperna hos en kylfläns är följande:

Värmeledning: värme överförs genom ett material. En varm komponent, exempelvis en processor, överför värme till kylflänsen som den har kontakt med.

Material: aluminium och koppar är vanliga eftersom de leder värme bra. De transporterar bort värme från komponenten och sprider den över en större yta.

Utformning och yta: flänsar och andra strukturer ökar ytan för värmeutbyte. Mer luft kan då komma i kontakt med kylflänsen, vilket förbättrar värmeavgivningen.

Konvektion: luft eller vätska som strömmar över ytan för bort värme. Passiv kylning använder bland annat naturlig luftcirkulation, medan fläktar och pumpar kan förstärka överföringen i aktiva system.

Strålning: kylflänsen avger även energi som infraröd strålning, vilket också bidrar till kylningen.

Effektiviteten beror på materialets värmeledningsförmåga, utformningen och ytan, omgivningstemperaturen samt luft- eller vätskeflödet. God värmehantering bidrar till elektroniska och mekaniska systems tillförlitlighet och livslängd.

Vad är strålningskylning?

Strålningskylning är en naturlig process där ett föremål förlorar energi genom att avge strålning, vid jordnära temperaturer vanligen infraröd strålning. Den ingår i jordens energibalans och kan utnyttjas i olika tekniker.
De fysikaliska grunderna omfattar följande:

Infraröd strålning: föremål avger elektromagnetisk strålning vars spektrum och intensitet beror på temperaturen. Vid vanliga temperaturer på jordytan ligger strålningen främst i det infraröda området. Föremålet kyls när energiförlusterna överstiger tillförseln, med hänsyn även till övriga former av värmeutbyte.

Utstrålning till rymden: vissa infraröda våglängdsband passerar relativt lätt genom atmosfären, bland annat fönstret kring 8–13 mikrometer. En lämplig yta kan avge värme till rymden där. Luftfuktighet, moln och andra omgivningsförhållanden påverkar resultatet.

Kylning dag och natt: utan sol är det lättare att nå en temperatur under omgivningsluftens. Dagtid motverkas kylningen av absorberad solenergi. Ett starkt reflekterande och väl utformat material kan ändå ge strålningskylning på dagen, vilket den aktuella studien visar.

Samband med albedo: albedo beskriver hur stor del av solstrålningen som reflekteras, inte bara den synliga delen. Högt albedo minskar upptaget av solenergi. Strålningskylning handlar om avgiven värmestrålning. Egenskaperna kompletterar varandra; en mörk yta kan avge infraröd strålning och ändå vara varm eftersom den absorberar mer solljus.

Tillämpningar: strålningskylning studeras för byggnader, fordon och tekniska installationer. Beroende på utformning och förhållanden kan den minska elbehovet för luftkonditionering eller göra befintliga kylsystem effektivare.

Reflektion av solljus och avgivning av infraröd strålning är alltså olika processer, som tillsammans påverkar värmebalansen hos naturliga och konstruerade ytor.

Företag som tar itu med klimatförändringarna

Följande börsnoterade företag tillhandahåller energi- eller mobilitetsteknik. De presenteras inte som tillverkare av kylglaset i denna studie.

Tabellerna behåller de historiska siffrorna från artikeln i november 2023, inte verifierade aktuella marknadsdata. Vinst per aktie kan spegla dåvarande aktiestruktur. Ett negativt P/E-tal är ingen meningsfull värderingsmultipel för ett förlustbolag. De inbäddade graferna och kurserna kan visa nyare uppgifter.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Prisdiagram

FuelCell Energy (FCEL ) utvecklar, tillverkar, driver och underhåller bränslecellskraftverk. Den elektrokemiska omvandlingen kan förbättra verkningsgraden och minska vissa föroreningar jämfört med liknande förbränningsteknik. Anläggningar kan dock använda naturgas, biogas eller andra bränslen och är inte automatiskt fossilfria eller fria från koldioxidutsläpp. Klimatnyttan beror på bränsle, verkningsgrad och eventuell användning av spillvärme.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Prisdiagram

Brookfield Renewable Partners (BEP ) driver en stor portfölj med vattenkraft, vindkraft, solkraft och lagring i Nord- och Sydamerika, Europa och Asien. Andelarna handlas även i Toronto (BEP.UN.TO ). Brookfield Renewable Corporation (BEPC ) är en separat struktur vars utbytbara aktier avser att ge en ekonomiskt likvärdig exponering mot partnerskapets andelar. Värdepapperen är juridiskt olika kategorier. Gruppen inriktar sig på långsiktigt värdeskapande genom förnybara energitillgångar.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Prisdiagram

ChargePoint Holdings (CHPT ) tillhandahåller laddutrustning för elfordon, programvarutjänster och support. Lösningarna används bland annat i bostäder, företag, fordonsflottor och offentliga miljöer. Genom att underlätta eldrift kan de bidra till minskat beroende av oljebaserade drivmedel. Utsläppsutfallet beror också på elproduktionen och fordonen.

Andra företag som utvecklar strålningskylning

Det onoterade CeraCool arbetar med praktisk användning och uppskalning av strålningskylning. Det grundades av forskare bakom kylglaset som presenterades i studien.

CeraCool  utvecklade färg som reflekterar solljus och avger infraröd värme. Företaget beskriver detta som kylning utan beläggningens egen elförbrukning, genom att reflektera mer än 95 procent av solstrålningen och samtidigt avge värme till rymden genom atmosfärens transparensfönster. Det betyder inte att färgen ersätter all luftkonditionering under alla förhållanden. Enligt företaget kan den sprutas eller penslas på ytor som blir varma, exempelvis tak och vissa vägytor.

SkyCool Systems är ett annat privatägt företag som arbetar med strålningskylning.

SkyCool Systems utvecklar kyllösningar med starkt reflekterande material som avger infraröd strålning. Panelerna kan bland annat förbättra effektiviteten i kylsystem med ångkompression. Tekniken syftar till energi- och miljövinster vars storlek beror på installationen och driftförhållandena.

Avslutande tankar

Klimatarbetet behöver även minska ineffektiv energianvändning, som komplement till hållbara energikällor. Strålningskylning kan bidra. I ett TED-föredrag diskuterar Aaswath Raman den möjliga återkopplingen mellan högre temperaturer, större behov av luftkonditionering och utsläppen som följer, samt hur strålningskylning kan hjälpa till att begränsa den.

Tillsammans med andra framsteg, som mikrometerstora solceller med baksideskontakter, kan initiativ från företag som CeraCool ge fördelar under åren efter artikeln. Utfallet beror på uppskalning och prestanda i praktiken.