Radiativ kylning bekämpar klimatförändringar genom att använda rymden som en värmeavledare

Urban environments are becoming increasingly sprawling and dense, resulting in more concrete and pavement than ever before.  The problem with that is the amount of heat absorbed by buildings and roads.  Surrounding areas become hotter, climate control systems must work harder, and greenhouse gas emissions skyrocket.  With that in mind, a team of researchers based out of the University of Maryland has come up with a simple but effective solution.  This is a recently developed material dubbed ‘cooling glass’, which can help to mitigate this growing problem and its effect on climate change through radiative cooling.

Radiativ kylningens genombrott

Battling climate change isn’t just about finding clean energy sources.  It is also about efficiently using the electricity we already create.  In this instance, cooling glass is a breakthrough that leverages the Albedo Effect and radiative cooling to essentially prevent thermal energy from the Sun from being trapped in typical building materials by reflecting it back into the emptiness of Space – a vacuum and limitless heat-sink that sits at a brisk -270ºC.
In its research article, the team states that it,

“…developed a randomized photonic composite consisting of a microporous glass framework that features selective LWIR [long-wave infrared radiation] emission along with relatively high solar reflectance and aluminum oxide particles that strongly scatter sunlight and prevent densification of the porous structure during manufacturing.”

The resulting product, or ‘cooling glass’, is said to perform well in a variety of conditions, which, alongside a relatively easy manufacturing process, might just make it viable for large-scale applications in urban environments.

Källa: www.cera.cool

“This microporous glass coating enables a temperature drop of ~3.5° and 4°C even under high-humidity conditions (up to 80%) during midday and nighttime, respectively.”

In doing so, the paper indicates that a building leveraging cooling glass has the potential to reduce its carbon emissions by as much as 10% annually.  When scaled across urban landscapes, this is significant.
While the idea of leveraging radiative cooling to battling climate change is nothing new, it is the performance and potential scalability of this new product that makes it particular interesting.

Vad är en ‘värmeavledare’?

For those wondering, a heat sink is a device or substance that absorbs and dissipates heat from another object using thermal contact (either direct or radiant).  Man-made variants are commonly used in electronics and mechanical systems to manage temperature and prevent overheating.  In the case of cooling glass, it is through radiation into the vacuum of space that this thermal dumping occurs.
Here’s an overview of the science behind heat sinks:

Termisk ledning: Det primära principen bakom en värmeavledare är termisk ledning, en fysisk process där värme överförs genom ett material. När en värmeproducerande komponent (som en CPU i en dator) blir varm, överför den sin värme till värmeavledaren.

Material: Värmeavledare är vanligtvis tillverkade av material med hög termisk ledningsförmåga, såsom aluminium eller koppar. Dessa material överför effektivt värme bort från komponenten och sprider den över ett större område.

Design och yta: En viktig aspekt av en värmeavledares design är dess yta. Många värmeavledare har fenor eller andra strukturer för att öka sin yta. Detta gör att mer luft kan komma i kontakt med värmeavledaren, vilket förbättrar värmeavledningen.

Konvektion: Luft eller vätska som rör sig över värmeavledarens yta underlättar konvektiv kylning. Vid passiv kylning sprider naturlig luftflöde värmen, medan i aktiva kylsystem används fläktar eller pumpar för att öka luft- eller vätskeflödet, vilket förstärker kylningseffekten.

Strålning: Värmeavledare avger också värme genom strålning. Den värme som absorberas av värmeavledaren emitteras som infraröd strålning, vilket ytterligare hjälper till att kyla enheten.

The effectiveness of a heat sink depends on several factors, including the material’s thermal conductivity, the design (especially the surface area), the ambient temperature, and the flow rate of air or liquid over the heat sink. By efficiently managing thermal energy, heat sinks play a crucial role in the reliability and longevity of electronic and mechanical systems.

Vad är ‘radiativ kylning’?

Meanwhile, radiative cooling is a natural process where objects release heat in the form of infrared radiation. This process already plays a role in nature with the Earth’s energy balance and has important applications in various technologies.
Here’s a closer look at the science behind radiative cooling:

Infraröd strålning: Alla föremål avger energi i form av elektromagnetisk strålning, vars intensitet beror på deras temperatur. Vid de temperaturer som vanligtvis finns på jordens yta ligger denna strålning mestadels i det infraröda spektrumet. Radiativ kylning sker när ett föremål, såsom jordens yta eller en byggnad, avger mer infraröd strålning än det absorberar.

Utsläpp i rymden: En av de viktigaste aspekterna av radiativ kylning är förmågan hos vissa material eller ytor att avge värme direkt ut i rymden. Detta är möjligt eftersom atmosfären har specifika ‘fönster’ som är transparenta för vissa våglängder av infraröd strålning, vilket tillåter denna energi att passera igenom och fly från jorden.

Dags- vs. nattskylning: Radiativ kylning är mest effektiv på natten, eftersom under dagen tenderar absorptionen av solstrålning att motverka kylningseffekten. På natten, utan solenergi, kan ytor kylas ner genom att avge infraröd strålning mer effektivt.

Relation till albedoeffekten: Albedoeffekten handlar främst om reflektion av synligt solljus, medan radiativ kylning handlar om utsläpp av infraröd strålning. De är dock relaterade i energibalansens termer. En yta med hög albedo reflekterar mer solstrålning och absorberar mindre värme under dagen. Detta kan förbättra radiativ kylning på natten, eftersom det finns mindre absorberad värme att återutstråla. Omvänt värms en låg-albedo yta mer under dagen, vilket potentiellt kan avge mer infraröd strålning om den har hög emissivitet.

Tillämpningar: Radiativ kylning har praktiska tillämpningar i passiva kylsystem, såsom i byggnader och fordon. Den undersöks också för användning i hållbara teknologier, som de kylpaneler som diskuteras här, som kan minska beroendet av eldriven luftkonditionering.

Radiative cooling is an important natural process that helps regulate temperature by emitting infrared radiation. While distinct from the albedo effect, which involves the reflection of sunlight, both contribute to the thermal dynamics of surfaces and play critical roles in both natural and engineered environmental systems.

Företag som tar itu med klimatförändringarna

For those interested in learning which publicly traded companies are actively developing solutions to battle climate change, consider the following.

*Siffrorna nedan var korrekta vid skrivandet och kan komma att förändras. Eventuella investerare bör verifiera siffrorna*

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Prisdiagram

FuelCell Energy (FCEL ) är en ledare inom utveckling och implementering av bränslecells­teknik. Företaget fokuserar på att designa, tillverka, driva och serva högeffektiva och rena bränslecells­kraftverk. Dess lösningar syftar till att minska beroendet av fossila bränslen och sänka koldioxidutsläppen, vilket bidrar till kampen mot klimatförändringarna. Företagets bränsleceller erbjuder en unik kombination av ren, pålitlig och effektiv kraftgenerering, vilket gör dem till en värdefull del av övergången till hållbar energi.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Prisdiagram

Brookfield Renewable (BEPC ) Partners (BEP ) driver en av världens största börsnoterade, renodlade förnybara kraftplattformar. Dess portfölj inkluderar vattenkraft-, vind-, sol- och lagringsanläggningar i Nordamerika, Sydamerika, Europa och Asien. Med ett starkt engagemang för hållbarhet fokuserar Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) på långsiktig värdeskapande genom förnybara energitillgångar, och spelar en betydande roll i den globala övergången till rena, förnybara energikällor för att bekämpa klimatförändringarna.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Prisdiagram

ChargePoint (CHPT ) Holdings är i framkant av elfordonsrevolutionen och driver ett av de mest omfattande och öppna EV-laddningsnäten. Företaget erbjuder innovativa och lättillgängliga laddningslösningar inom flera sektorer, inklusive bostäder, kommersiella områden och offentliga platser. Genom att underlätta antagandet av elfordon bidrar ChargePoint Holdings direkt till minskade växthusgasutsläpp och en övergång från beroendet av fossila bränslen, vilket markerar ett avgörande steg i kampen mot klimatförändringarna.

Anmärkningsvärda företag som utnyttjar radiativ kylning

While not publicly traded, there is a particularly noteworthy startup already working to implement and scale the science behind this cooling glass.  In fact, it was founded by the very same researchers behind this breakthrough.  This company is Ceracool.

Ceracool har utvecklat en ‘radiativ kylningsfärg’ som fungerar på samma koncept som cooling glass. Företaget marknadsför sin radiativa kylningsfärg som erbjuder “…fri luftkonditionering genom att reflektera över 95 % av solinstrålningen och samtidigt avge värme till de nästan absoluta nolltemperaturerna i djup rymd genom atmosfärens transparensfönster.” Det som gör produkten särskilt intressant är att den enkelt kan appliceras på ytor som är benägna att samla värme (tak, vägar etc.) genom antingen sprayning eller pensling.

Ett annat exempel på ett privatägt företag som innoverar med radiativ kylningsteknik är SkyCool Systems.

SkyCool Systems är ett företag för ren energi som utvecklar avancerade kylningslösningar som utnyttjar radiativ kylning. Dess metod involverar ett radiativt kylningsmaterial som integreras i ett panelsystem utformat för att avsevärt förbättra effektiviteten hos kylsystem baserade på kompressor‑avdunstning. Precis som Ceracool representerar SkyCool Systems banbrytande arbete inom detta område ett lovande steg framåt i att tackla världens kylutmaningar, och erbjuder både miljöfördelar och energikostnadsbesparingar.

Avslutande tankar

At the end of the day, efforts surrounding climate change need to extend beyond solely tapping into sustainable energy sources.  While this is obviously a vital and important approach, it is essentially akin to juggling with one hand.  Rather, we need solutions that also address inefficiencies in our power consumption – which is exactly what radiative cooling products are about.  In an illuminating TedTalk from Aaswath Raman, he touched on the importance of addressing a potential feedback loop resulting from our cooling needs, and how radiative cooling may help.

Combined with other breakthroughs like bakkontakt-mikrometriska fotovoltaiska celler, it should be interesting to see the resulting benefits of initiatives being undertaken by companies like Ceracool in the coming years.