Radyatif Soğutma, Uzayı Isı Emici Olarak Kullanarak İklim Değişikliğiyle Mücadele Ediyor

Kentler büyüyüp yoğunlaştıkça beton ve asfalt yüzeyler artıyor. Binalar ve yollar ısıyı soğurarak çevreyi ısıtıyor ve klima ihtiyacını artırıyor. Emisyonlar, kullanılan enerji kaynağına da bağlı. Bu nedenle Maryland Üniversitesinden bir araştırma ekibi bir çözüm geliştirdi: 2023’te tanıtılan, ışınımla soğutmadan yararlanan ve soğutucu cam adı verilen mikro gözenekli bir kaplama. Bu, sıradan şeffaf pencere camı değil, cam içeren bir kaplama.

Işınımla soğutmada bir atılım

İklim değişikliğiyle mücadele, ürettiğimiz elektriği daha verimli kullanmayı da kapsıyor. Soğutucu cam iki mekanizmayı birleştiriyor: güneş ışınımının büyük bölümünü yansıtan yüksek albedo ve atmosferin görece geçirgen olduğu dalga boyu aralıklarında kızılötesi ışınım yayarak ısıyı uzaya aktarma. Güneş ışığının yansıtılması ile ısıl ışınımın yayılması farklı süreçler. Yaklaşık −270 °C sıcaklığındaki kozmik arka plan soğuk bir referans oluşturuyor; vakum ısıyı taşınım yoluyla uzaklaştırmıyor.

Araştırma makalesinde yazarlar malzemeyi şöyle tanımlıyor:

“Uzun dalga kızılötesi ışınımı seçici biçimde yayan ve görece yüksek güneş yansıtıcılığına sahip mikro gözenekli bir cam iskelet ile güneş ışığını güçlü biçimde saçan ve üretim sırasında gözenekli yapının sıkılaşmasını engelleyen alüminyum oksit parçacıklarından oluşan düzensiz bir fotonik kompozit.”

Kaplama farklı koşullarda iyi sonuçlar verdi. Üretim yöntemi daha büyük ölçeğe uygun olabilir; ancak araştırmacılar 2023’te ek deneyler ve uygulama geliştirme çalışmalarını sürdürüyordu.

Kaynak: www.cera.cool

Çalışmanın özetinde performans şöyle aktarılıyor:

“Bu mikro gözenekli cam kaplama, yüzde 80’e varan yüksek nemli ortamlarda bile öğle vakti yaklaşık 3,5 °C, gece ise 4 °C sıcaklık düşüşü sağlıyor.”

Ayrıntılı ölçümler koşulları açıklıyor: öğle vakti kaplama, yüzde 30 bağıl nemde, 30 °C sıcaklığındaki ortam havasından yaklaşık 3,5 °C daha soğuktu. Gece ise yüzde 80’e varan nemde, 17,5 °C sıcaklığındaki havanın yaklaşık 4 °C altındaydı. Orta yükseklikteki apartmanların çatılarına ilişkin simülasyonlar, soğutmayla bağlantılı yıllık karbondioksit emisyonlarında yaklaşık yüzde 10’luk olası bir azalmaya işaret etti. Bu, binanın tüm emisyonlarında genel olarak ölçülmüş bir azalma değildi.

Işınımla soğutma yeni değil. Burada dikkat çeken, performansın, dış ortam koşullarına dayanıklılığın ve daha büyük ölçekte üretim olanağının bir araya gelmesi.

Isı emici nedir?

Isı emici, başka bir nesneden ısı alıp çevreye aktarır. Elektronik ve mekanik sistemlerde aşırı ısınmayı önlemeye yardımcı olur. Sıcak bir bileşenle temas genellikle ısı iletimini sağlar; çevreye aktarım ise taşınım ve ışınım yoluyla gerçekleşebilir. Burada anlatılan soğutucu cam, gökyüzüne ve uzaya kızılötesi ışınım yayarak enerji kaybeder.

Isı emicilerin bilimsel temeline bir bakış:

Isı İletimi: Isı emicinin temel prensibi, ısının bir malzeme üzerinden iletilmesidir. Bir ısı üreten bileşen (örneğin bir bilgisayar işlemcisi) ısındığında, bu ısı ısı emiciye aktarılır.

Malzeme: Isı emiciler genellikle alüminyum ya da bakır gibi yüksek ısı iletkenliğine sahip malzemelerden yapılır. Bu malzemeler, ısıyı bileşenden uzaklaştırıp daha geniş bir alana yayar.

Tasarım ve Yüzey Alanı: Isı emicinin tasarımındaki kritik nokta yüzey alanıdır. Birçok ısı emicide kanatçıklar ya da benzeri yapılar bulunur; bu yapılar yüzey alanını artırarak daha fazla havanın temas etmesini ve ısının daha etkili dağılmasını sağlar.

Taşınım: ısı emicinin yüzeyinden geçen hava veya sıvı ısıyı uzaklaştırır. Pasif soğutma doğal hava dolaşımından da yararlanırken aktif sistemlerde fanlar ve pompalar akışı artırarak ısı aktarımını güçlendirir.

Radyasyon: Isı emiciler aynı zamanda ısıyı radyasyon yoluyla da yayar. Emilen ısı kızılötesi radyasyon olarak dışarıya verilir ve bu da cihazın soğumasına katkı sağlar.

Isı emicinin etkinliği, malzemenin ısı iletkenliği, tasarım (özellikle yüzey alanı), ortam sıcaklığı ve hava/sıvı akış hızı gibi faktörlere bağlıdır. Termal enerjiyi verimli yöneterek, ısı emiciler elektronik ve mekanik sistemlerin güvenilirliği ve ömrü açısından kritik bir rol oynar.

Işınımla soğutma nedir?

Işınımla soğutma, bir nesnenin ışınım yayarak enerji kaybettiği doğal bir süreçtir. Dünya yüzeyine yakın sıcaklıklarda bu ışınım genellikle kızılötesidir. Süreç, Dünya’nın enerji dengesinin bir parçasıdır ve farklı teknolojilerde kullanılabilir.

Fiziksel temelleri şöyle özetlenebilir:

Kızılötesi ışınım: nesneler, tayfı ve şiddeti sıcaklığa bağlı elektromanyetik ışınım yayar. Dünya yüzeyindeki olağan sıcaklıklarda bunun büyük bölümü kızılötesi aralıktadır. Bir nesne, diğer ısı alışverişleri de hesaba katıldığında, enerji kayıpları girdilerini aştığında soğur.

Uzaya ışınım yayılması: atmosfer, yaklaşık 8–13 mikrometre aralığındaki pencere gibi bazı kızılötesi dalga boylarına görece geçirgendir. Uygun bir yüzey bu aralıklarda uzaya ısı aktarabilir. Nem, bulutlar ve diğer çevre koşulları sonucu etkiler.

Gündüz ve gece soğutması: güneş olmadığında ortam havasından daha düşük sıcaklığa ulaşmak kolaylaşır. Gündüz soğurulan güneş enerjisi soğutmayı sınırlar. Bununla birlikte, güçlü yansıtıcı özellikte ve uygun tasarlanmış bir malzeme, bu çalışmada gösterildiği gibi gündüz de ışınımla soğuyabilir.

Albedo ile ilişki: albedo yalnızca görünür ışığın değil, güneş ışınımının ne kadarının yansıtıldığını gösterir. Yüksek albedo, güneş enerjisinin soğurulmasını azaltır. Işınımla soğutma ise ısıl ışınımın yayılmasıyla ilgilidir. Bu özellikler birbirini tamamlar; koyu bir yüzey kızılötesi ışınım yaydığı hâlde daha fazla güneş ışığı soğurduğu için sıcak kalabilir.

Uygulamalar: ışınımla soğutma binalar, araçlar ve teknik tesisler için araştırılıyor. Tasarıma ve koşullara bağlı olarak klima için gereken elektriği azaltabilir veya mevcut soğutma sistemlerinin verimini artırabilir.

Güneş ışığının yansıtılması ile kızılötesi ışınımın yayılması farklı süreçlerdir. Birlikte doğal ve insan yapımı yüzeylerin ısı dengesini etkilerler.

İklim çözümleri geliştiren şirketler

Aşağıdaki halka açık şirketler enerji veya ulaşım teknolojileri sunuyor. Bu çalışmadaki soğutucu camın üreticileri olarak tanıtılmıyorlar.

Tablolar, Kasım 2023 tarihli makaledeki tarihsel rakamları koruyor; bunlar doğrulanmış güncel piyasa verileri değil. Hisse başına kazanç, o dönemdeki hisse yapısını yansıtabilir. Zarar eden bir şirketin negatif F/K oranı anlamlı bir değerleme çarpanı değildir. Gömülü grafikler ve fiyatlar daha yeni bilgiler gösterebilir.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Fiyat Grafiği

FuelCell Energy (FCEL ), yakıt hücreli enerji santralleri geliştiriyor, üretiyor, işletiyor ve bunlara bakım hizmeti sağlıyor. Elektrokimyasal dönüşüm, benzer yakma teknolojilerine kıyasla verimi artırabilir ve bazı kirletici emisyonlarını azaltabilir. Ancak tesisler doğal gaz, biyogaz veya başka yakıtlar kullanabilir; dolayısıyla otomatik olarak fosil yakıtsız ya da karbondioksit emisyonsuz değildir. İklim yararı yakıta, verime ve atık ısının kullanılıp kullanılmadığına bağlıdır.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Fiyat Grafiği

Brookfield Renewable Partners (BEP ), Kuzey ve Güney Amerika, Avrupa ve Asya’da hidroelektrik, rüzgâr, güneş ve depolama tesislerinden oluşan büyük bir portföy işletiyor. Ortaklık birimleri Toronto’da da işlem görüyor (BEP.UN.TO ). Brookfield Renewable Corporation (BEPC ), değiştirilebilir hisseleriyle ortaklık birimlerine ekonomik açıdan eşdeğer bir yatırım sunmayı amaçlayan ayrı bir şirket yapısıdır. Bu menkul kıymetler hukuken farklı kategorilerdedir. Grup, yenilenebilir enerji varlıkları aracılığıyla uzun vadeli değer yaratmaya odaklanıyor.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Fiyat Grafiği

ChargePoint Holdings (CHPT ), elektrikli araç şarj donanımı, yazılım hizmetleri ve destek sağlıyor. Çözümleri konutlarda, işletmelerde, araç filolarında ve kamusal alanlarda kullanılıyor. Elektrikli ulaşımı kolaylaştırarak petrol bazlı yakıtlara bağımlılığı azaltabilir. Emisyon sonucu, elektrik üretimine ve araçlara da bağlıdır.

Işınımla soğutma geliştiren diğer şirketler

Halka açık olmayan CeraCool, ışınımla soğutmanın uygulamaya geçirilmesi ve ölçeklendirilmesi üzerinde çalışıyor. Şirketi, çalışmada tanıtılan soğutucu camı geliştiren araştırmacılar kurdu.

CeraCool , güneş ışığını yansıtan ve kızılötesi ısı yayan bir boya geliştirdi. Şirket, güneş ışınımının yüzde 95’inden fazlasını yansıtıp atmosferin geçirgenlik penceresi üzerinden uzaya ısı yayarak kaplamanın kendi elektrik tüketimi olmadan soğutma sağladığını belirtiyor. Bu, boyanın her koşulda tüm klimaların yerini aldığı anlamına gelmez. Şirkete göre boya, çatılar ve bazı yol yüzeyleri gibi ısınan yüzeylere püskürtülebilir veya fırçayla sürülebilir.

SkyCool Systems da ışınımla soğutma üzerinde çalışan özel bir şirket.

SkyCool Systems, kızılötesi ışınım yayan, güçlü yansıtıcı malzemelerle soğutma çözümleri geliştiriyor. Paneller, buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinin verimini artırmak için de kullanılabiliyor. Teknolojinin hedeflediği enerji ve çevre kazanımlarının büyüklüğü, kuruluma ve işletme koşullarına bağlı.

Son Düşünceler

İklim çalışmaları, sürdürülebilir enerji kaynaklarını kullanmanın yanı sıra verimsiz enerji tüketimini de azaltmalı. Işınımla soğutma buna katkı sağlayabilir. Aaswath Raman, bir TED konuşmasında sıcaklık artışı, artan klima ihtiyacı ve bunların doğurduğu emisyonlar arasındaki olası geri besleme döngüsünü ve ışınımla soğutmanın bu döngüyü sınırlamaya nasıl yardımcı olabileceğini tartışıyor.

Arka kontaklı, mikrometre ölçekli fotovoltaik hücreler gibi başka ilerlemelerle birlikte CeraCool gibi şirketlerin girişimleri, makaleyi izleyen yıllarda yarar sağlayabilir. Sonuç, üretimin ölçeklendirilmesine ve uygulamadaki performansa bağlıdır.