Dowiedz się więcej na temat rewolucynej technologii PDRC - pasywnego chłodzenia
Technologia chłodzenia radiacyjnego (PDRC) to nowoczesne rozwiązanie, które umożliwia pasywne chłodzenie powierzchni – bez użycia energii. Powłoki chłodzące Sky Chill odbijają większość promieniowania słonecznego i oddają ciepło w postaci promieniowania podczerwonego, dzięki czemu powierzchnia pozostaje chłodniejsza niż otaczające powietrze.
Co to jest ciepło?
Na Ziemię, ze Słońca trafia nieustannie promieniowanie, które dzielimy na:
- Światło widzialne (fale o długości w przedziale 0,38–0,75 μm), powoduje, że jest jasno i stanowi 42% całej energii.
- Światło podczerwone (fale o długości 0,75–1000 μm) są dla nas niewidzialne, ale odczuwamy je jako ciepło. Ta część spektrum to 50% energii.
- Światło ultrafioletowe (< 0.38 μm) stanowi około 8% energii. W małych ilościach docierają na Ziemię również inne pasma światła).
Większość promieniowania podczerwonego (ciepła), które trafia na Ziemię lub jest oddawane z jej powierzchni, pochłaniane jest przez atmosferę. To powoduje nagrzewanie powietrza – zwłaszcza gdy zawiera dużo gazów cieplarnianych, takich jak CO₂, para wodna czy metan.
Jednak nie całe ciepło zostaje w atmosferze. Istnieje “okno atmosferyczne”, czyli zakres długości fal podczerwonych (8-13 μm) dla którego atmosfera jest przezroczysta, a fale uciekają w przestrzeń kosmiczną – to jest właśnie pasywne chłodzenie radiacyjne.
Jest to zjawisko występujące naturalnie i obserwowane od tysięcy lat – szron potrafi pojawić się nad ranem na powierzchni ziemi, albo na szybach naszych samochodów, mimo, że temperatury w nocy były dodatnie. To ciepło właśnie uciekło z ziemi w przestrzeń kosmiczną, zostawiając za sobą przechłodzoną powierzchnię.
Jak działa pasywne chłodzenie PRDC?
PDRC to Passive Daytime Radiative Cooling, czyli Pasywne Chłodzenie Radiacyjne. Opiera się na kilku kluczowych zasadach:
Chłodzenie emisyjne
Podstawową zasadą pasywnego chłodzenia radiacyjnego jest emisyjność cieplna, czyli miara zdolności obiektu do wypromieniowywania ciepła. Powłoki PDRC charakteryzują się wysoką emisyjnością, co pozwala im skutecznie oddawać ciepło.
Selektywna emisyjność
Aby osiągnąć wysoką efektywność chłodzenia, materiały PDRC muszą działać jako selektywne emitery, pochłaniając i emitując promieniowanie cieplne tylko w określonym zakresie długości fal. Zakres ten odpowiada tzw. „oknu atmosferycznemu”. Ciepło emitowane w tym zakresie może swobodnie uciekać w przestrzeń kosmiczną.
Refleksyjność słoneczna
Folie, membrany powłoki i materiały PDRC muszą posiadać wysoką zdolność odbijania promieniowania słonecznego(>95%). Dzięki temu znaczną część energii słonecznej odbijają z powrotem, nie nagrzewając się w ciągu dnia.
Odporność na promieniowanie UV
Promieniowanie ultrafioletowe jest wysokoenergetyczne i przyspiesza degradację materiałów – powoduje ich pękanie, blaknięcie czy utratę właściwości ochronnych. Powłoki PDRC są projektowane tak, aby były stabilne i odporne na działanie UV, dzięki czemu przez długie lata zachowują zdolność odbijania i emisji ciepła oraz stanowią ochronę pokrytych powierzchni.
Ciągły cykl
Proces chłodzenia radiacyjnego w PDRC jest pasywny i ciągły. Oznacza to, że rozwiązanie to jest niezwykle wydajne i trwałe, bez konieczności stosowania układów elektrycznych czy mechanicznych. Dzięki temu PDRC jest prostą w instalacji i ekonomiczną technologią chłodzenia.
Chcesz dowiedzieć się więcej o podstawach fizycznych technologii chłodzenia radiacyjnego PDRC?
Bilans energetyczny Ziemi i okno atmosferyczne
Bilans energetyczny Ziemi to podstawowe pojęcie w naukach o Ziemi, które opisuje równowagę między energią docierającą do naszej planety a energią ją opuszczającą. Bilans ten jest regulowany głównie przez zasady zachowania energii oraz prawa termodynamiki. Promieniowanie słoneczne stanowi podstawowe źródło energii w systemie Ziemi. Jeśli nie zostanie odbite, promieniowanie to – nazywane insolacją – jest pochłaniane przez powierzchnię planety, co prowadzi do jej ogrzania. Następnie Ziemia wypromieniowuje tę energię jako promieniowanie podczerwone o niższej energii. To właśnie to długofalowe promieniowanie odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu stabilnego klimatu.
Okno atmosferyczne w podczerwieni to z kolei jeden z najważniejszych elementów bilansu energetycznego. Większość długości fal podczerwonych jest zatrzymywana i ponownie emitowana przez tlen, dwutlenek węgla, metan i inne gazy cieplarniane – zjawisko to znamy jako efekt cieplarniany. Istnieje jednak pewien zakres fal w podczerwieni (ok. 8–13 μm), w którym atmosfera jest prawie przezroczysta. To właśnie „okno” umożliwia łatwe uciekanie energii w przestrzeń kosmiczną. Materiały PDRC wykorzystują selektywną emisyjność w tym właśnie zakresie. Można to porównać do metafory: większość promieniowania cieplnego musi poruszać się po zatłoczonych drogach z sygnalizacją świetlną i skrzyżowaniami, natomiast okno atmosferyczne jest niczym autostrada prowadząca wprost w kosmos.
Prawo zachowania energii
Pierwsza zasada termodynamiki odgrywa tu fundamentalną rolę – mówi bowiem, że energia nie może być stworzona ani zniszczona, a jedynie zmieniana lub przekazywana.
Dzięki wysokiemu współczynnikowi odbicia promieniowania słonecznego materiały PDRC odbijają większość insolacji z powrotem w kosmos – to transfer energii. Jednocześnie absorbują one pewną ilość energii, by następnie wypromieniować ją w zakresie okna atmosferycznego – to zarówno zmiana, jak i transfer energii.
Analogią jest klimatyzator: nie tworzy on zimna, a jedynie przenosi ciepło z wnętrza budynku na zewnątrz. Podobnie materiały PDRC nie „tworzą chłodu” – one po prostu odbijają i emitują ciepło z powierzchni skierowanej ku niebu do górnych warstw atmosfery, a ostatecznie w kosmos. Dla każdego wata chłodzenia na powierzchni Ziemi odpowiada dokładnie jeden wat ogrzewania „tam w górze”. Na szczęście przestrzeń kosmiczna stanowi nieograniczony i odnawialny rozpraszacz ciepła.
Prawo Kirchhoffa
Prawo Kirchhoffa dotyczące promieniowania cieplnego mówi, że dla danego materiału i określonej temperatury stosunek emisyjności (ε) do absorpcyjności (α) jest stały dla danej długości fali. W praktyce oznacza to, że materiał, który jest dobrym emiterem w pewnym zakresie fal, jest również dobrym ich pochłaniaczem.
Klasycznym przykładem jest termos: jego srebrna powłoka odbija większość promieniowania (bardzo niska absorpcyjność), a zatem zgodnie z prawem Kirchhoffa jest także słabym emiterem (niska emisyjność). Dlatego termosy są pokrywane srebrem – ograniczają zarówno pochłanianie, jak i emisję ciepła.
W przypadku PDRC wykorzystujemy tę zasadę w sposób odwrotny: materiały te są projektowane tak, aby maksymalizowały absorpcję (a więc i emisję) w średniej podczerwieni, w zakresie okna atmosferycznego (8–13 μm). Równocześnie minimalizują one absorpcję (czyli dobrze odbijają) w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, gdzie działa promieniowanie słoneczne. Osiągnięcie takiej selektywnej emisyjności i odbijalności wymaga zaawansowanego inżynierstwa materiałowego, np. stosowania struktur fotonicznych czy metamateriałów.
Prawo Stefana–Boltzmanna
Prawo to opisuje, że całkowita moc promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury absolutnej. Wzór ma postać:
P = σ * A * T⁴
gdzie:
P – moc promieniowania (W),
σ – stała Stefana–Boltzmanna (5,67 × 10⁻⁸ W/m²K⁴),
A – powierzchnia emitująca,
T – temperatura w kelwinach.
Oznacza to, że im wyższa temperatura obiektu, tym szybciej rośnie ilość wypromieniowanej energii.
Dla PDRC jest to kluczowe: najsilniej chłodzą one wtedy, gdy jest najgoręcej. W praktyce oznacza to, że w upalne letnie dni materiały te osiągają maksimum swojej wydajności, a zimą – gdy temperatura spada – naturalnie zmniejszają swoją aktywność, nie powodując nadmiernego wychłodzenia. To sprawia, że PDRC są rozwiązaniem stabilnym i samoregulującym się.
Prawo Wiena
Prawo Wiena opisuje zależność między temperaturą ciała a długością fali, przy której emitowane jest maksimum promieniowania. Wyrażone jest wzorem:
λmax = b / T
gdzie:
λmax – długość fali największej emisji,
b – stała Wiena (2,898 × 10⁻³ m·K),
T – temperatura w kelwinach.
Z prawa Wiena wynika, że wraz ze wzrostem temperatury maksimum emisji przesuwa się ku krótszym (bardziej energetycznym) falom. To właśnie dlatego rozgrzany metal najpierw żarzy się na czerwono, później na żółto, a w końcu na biało-niebiesko.
Dla PDRC prawo Wiena jest szczególnie istotne, ponieważ pokazuje, że w typowych temperaturach eksploatacyjnych powierzchni budynków (20–60°C) maksimum emisji znajduje się właśnie w zakresie 8–13 μm, czyli w oknie atmosferycznym. Dzięki temu możliwe jest naturalne dopasowanie emisji materiału do „okna chłodzącego” Ziemi.
