복사 냉각

Radiative cooling
구름, 대기 및 표면에서 발생하는 지구의 장파 열 복사 강도.

복사[1][2] 냉각은 열 복사에 의해 물체가 열을 잃는 과정입니다.플랑크의 법칙이 설명하듯이, 모든 물체는 자발적으로 그리고 지속적으로 전자기 방사선을 방출한다.

지상 복사 냉각

메커니즘

적외선 복사는 8-13µm의 파장 범위에서 건조하고 깨끗한 공기를 통과할 수 있습니다.에너지를 흡수하여 파장에서 방사할 수 있는 물질은 강력한 냉각 효과를 나타냅니다.200나노미터~2.5μm 범위의 태양광을 95% 이상 반사할 수 있는 소재는 [3]직사광선에서도 냉각이 가능하다.

지구의 에너지 예산

상세 정보:지구의 에너지 예산

지구 대기 시스템은 복사 냉각을 사용하여 태양으로부터 단파(가시광선) 에너지를 흡수하는 균형을 맞추기 위해 장파(적외선) 방사선을 방출합니다.

열의 대류 수송과 잠열의 증발 수송은 모두 표면에서 열을 제거하고 대기 중에 분배하는 데 중요합니다.순수한 방사능 수송은 대기권 상층부에서 더 중요하다.일주일과 지리적 변화는 상황을 더욱 복잡하게 만든다.

지구 대기의 대규모 순환은 태양이 주로 기하학적 요인 때문에 열대지방에서 지구를 더 뜨겁게 달구기 때문에 평방미터당 흡수된 태양 복사량의 차이로 인해 추진된다.대기 및 해양 순환은 이 에너지의 일부를 지각 있는 열과 잠열로 부분적으로 평균 흐름을 통해 그리고 부분적으로 대기 중 사이클론이라고 알려진 에디를 통해 재분배한다.따라서 열대지방은 순환이 없을 때보다 우주로 덜 방출되고 극지방은 더 많은 에너지를 방출한다; 하지만 절대적인 관점에서 보면 열대지방은 우주로 더 많은 에너지를 방출한다.

야간 표면 냉각

복사 냉각은 일반적으로 구름이 없는 밤에, 지구 표면이나 인간 관찰자의 피부에서 우주로 열이 방출될 때 경험됩니다.그 효과는 아마추어 천문학자들 사이에서 잘 알려져 있다.구름 한 점 없는 밤하늘을 몇 초 동안 똑바로 올려다보고 나서 얼굴과 하늘 사이에 종이를 놓고 피부 온도를 비교하는 것으로 효과를 볼 수 있다.외부 공간은 약 3 켈빈(섭씨 270도 또는 화씨 450도)의 온도에서 방사되고 종이는 약 300 켈빈(실온)에서 방사되기 때문에, 종이는 어두운 우주보다 더 많은 열을 얼굴에 방사한다.그 영향은 지구 주변의 대기, 특히 그것이 포함하고 있는 수증기에 의해 희미해져, 하늘의 겉으로 보이는 온도는 우주보다 훨씬 더 따뜻하다.시트는 추위를 막는 것이 아니라, 열을 얼굴에 반사시켜 흡수된 얼굴의 열을 방사합니다.

동일한 복사 냉각 메커니즘으로 인해 주변 온도가 영하로 떨어지지 않더라도 맑은 밤하늘에 노출된 표면에 서리나 검은 얼음이 형성될 수 있습니다.

켈빈의 지구 나이 추정치

상세 정보:지구의 나이

켈빈이 지구의 나이를 추정하기 위해 처음 사용한 지질학적 시간에 따른 냉각에도 동일한 원리가 적용되지만, 복사 냉각이라는 용어는 일반적으로 국지적 프로세스에 사용된다(당시 알려지지 않은 방사성 동위원소 붕괴에 의해 방출된 상당한 열과 맨틀의 대류 효과를 무시함).


수동 복사 냉각을 가능하게 하는 광전자 장치

주간 수동 복사 냉각의 핵심은 현명하게 설계된 광전자 마이크로/나노 구조이며, 이는 태양 조사를 반사하고 8–13 μm의 대기 투명 창에서 열적외선 방출을 동시에 방출한다.최근에는 다층 박막, 마이크로/나노 입자, 포토닉 결정, 메타 물질, 메타 물질, 메타 표면과 같은 첨단 광전자 재료와 구조가 [4]복사 냉각을 크게 촉진하고 있습니다.

천문학

복사 냉각은 우주에 있는 물체가 에너지를 방출할 수 있는 몇 안 되는 방법 중 하나입니다.특히 백색왜성은 더 이상 핵융합이나 중력수축에 의해 에너지를 생성하지 않으며 태양풍도 없다.온도가 변하는 유일한 방법은 복사 냉각입니다.이것은 나이 함수로써 그들의 온도를 매우 쉽게 예측하게 만들어주므로, 천문학자들은 온도를 [5][6]관찰함으로써 별의 나이를 추론할 수 있다.

적용들

인도와 이란의 야간 제빙

인공 냉동 기술이 발명되기 전에, 인도와 이란에서는 야간 냉각에 의한 제빙이 흔했다.이러한 장치는 얇은 층의 물이 있는 얕은 세라믹 쟁반으로 구성되어 밤하늘에 선명하게 노출되어 야외에 배치되었다.바닥과 옆면은 두꺼운 건초 층으로 단열되어 있었다.맑은 밤에는 물이 위쪽으로 복사되어 열을 잃게 될 것이다.공기가 평온하고 빙점보다 그리 높지 않다면, 대류에 의한 주변 공기로부터의 열 증가는 물이 [7][8][9]얼 정도로 낮았다.

아키텍처

시원한 지붕은 높은 태양 반사율과 높은 적외선 방사율을 결합하여 태양으로부터의 열 이득을 감소시키는 동시에 방사선을 통한 열 제거를 증가시킵니다.따라서 방사 냉각은 주거용 [10]및 상업용 건물에 수동 냉각의 가능성을 제공한다.페인트 코팅, 벽돌 및 콘크리트와 같은 기존 건물 표면은 최대 0.[11]96의 높은 방출량을 가집니다.결과적으로, 그들은 밤에 수동적으로 건물을 식히기 위해 열을 하늘로 방출한다.이러한 재료는 햇빛에 충분히 반사될 경우 낮에 복사 냉각을 할 수도 있습니다.

건물에서 볼 수 있는 가장 일반적인 방사 냉각기는 태양 반사율이 최대 0.94이고 열 방출량이 최대 0.[12]96인 흰색 냉각 지붕 페인트 코팅이다.페인트의 태양 반사율은 폴리머 페인트 수지에 내장된 유전체 색소에 의한 광학 산란에서 발생하는 반면, 열 방출은 폴리머 수지에서 발생합니다.그러나 이산화티타늄, 산화아연 등 전형적인 백색 안료는 자외선을 흡수하기 때문에 이 안료에 기초한 도료의 태양 반사율은 0.95를 넘지 않는다.

연구진은 2014년 우주로 장파장 적외선을 선택적으로 방출하는 다층 열포토닉 구조를 이용한 최초의 주간 복사 냉각기를 개발했으며 직사광선 [13]아래에서도 5°C의 준주변 냉각이 가능하다.이후 연구진은 태양 반사율 0.96-0.99와 열 방출율 0.[14]97을 얻기 위해 모공이 햇빛을 산란시키는 도장 가능한 다공질 폴리머 코팅을 개발했다.직사광선 아래 실험에서 코팅은 6°C의 주변 온도와 96 W/m의2 냉각 파워를 달성합니다.

다른 주목할 만한 복사 냉각 방법으로는 금속 [15]거울 위의 유전체 필름과 은 또는 알루미늄 [16]필름 위의 폴리머 또는 폴리머 복합 재료 등이 있습니다.2015년에는 [17]한여름 태양 아래 시판되는 흰색 페인트보다 11°C 더 낮은 온도인 태양 반사율 0.97과 열 방출량 0.96의 은도금 폴리머 필름이 보고되었습니다.연구진은 태양 파장은 반투명하고 적외선은 [18][19]방사하는 폴리머에 이산화규소나 탄화규소 입자를 매설한 유전체 설계를 연구했다.2017년에는 고분자 매트릭스에 무작위로 공명 극성 실리카 미세구가 박힌 설계의 예가 [20]보고되었다.이 물질은 햇빛에 반투명하며 적외선 대기 투과창의 적외선 방사율은 0.93이다.이 재료는 실버 코팅으로 코팅되어 있어 높은 처리량과 경제적인 롤 투 롤 제조와 함께 직사광선 하에서 93 W/m의2 한낮 복사 냉각 전력을 달성했습니다.

히트 실드

우주선 및 극초음속 항공기의 재사용 가능한 열 보호 시스템(RTPS)에는 복사 냉각을 촉진하는 높은 방사율 코팅이 사용될 수 있다.이러한 열차폐에서는 단열 세라믹 [21]기판상에 몰리브덴디실리사이드(MoSi2) 등의 고방사율 재료를 도포한다.이러한 열 차폐에서는 일반적으로 0.8 - 0.9 범위의 높은 수준의 총 방사율을 고온 범위에서 유지해야 한다.플랑크의 법칙은 높은 온도에서 복사 방출 피크가 낮은 파장(높은 주파수)으로 이동하며 작동 온도의 함수로 물질 선택에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.효과적인 복사 냉각 외에 복사 열 보호 시스템은 손상 내구성을 제공해야 하며 고온에서 점성 유리 형성을 통한 자가 치유 기능을 포함할 수 있다.

제임스 웹 우주 망원경

제임스 웹 우주 망원경은 약 50도 K의 작동 온도에 도달하기 위해 복사 냉각을 사용합니다.이를 위해, 그것의 큰 반사 차폐는 태양, 지구, 그리고 달의 방사선을 차단한다.선실드에 의해 영구적으로 그늘에 가려진 망원경 구조는 방사선에 의해 냉각됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Fan, Shanhui; Li, Wei (March 2022). "Photonics and thermodynamics concepts in radiative cooling". Nature Photonics. 16 (3): 182–190. doi:10.1038/s41566-021-00921-9.
  2. ^ Li, Wei; Fan, Shanhui (1 November 2019). "Radiative Cooling: Harvesting the Coldness of the Universe". Optics and Photonics News. 30 (11): 32. doi:10.1364/OPN.30.11.000032.
  3. ^ Lim, XiaoZhi (2019-12-31). "The super-cool materials that send heat to space". Nature. 577 (7788): 18–20. doi:10.1038/d41586-019-03911-8. PMID 31892746.
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