Émetteur Janue (JET) pour le refroidissement d'un espace clos. (A) Schéma du JET appliqué à une automobile à l'arrêt sous la lumière directe du soleil, où la chaleur est piégée par l'effet de serre. La propriété de rayonnement thermique de Janus permet une absorption à large bande des ondes infrarouges de l'enceinte et une émission sélective vers l'espace ultrafroid. Photographie en médaillon :JET fabriqué présentant une forte réflexion dans le domaine visible. Crédit photo :Yeong Jae Kim, ESSENTIEL. (B) Vue structurelle agrandie. De haut en bas :PDMS 4 µm, argent, quartz microstructuré, et 10 m de PDMS. (C) Spectres d'émission du JET idéal avec émission à large bande (BE) en bas et émission sélective (SE) en haut. BB, rayonnement du corps noir. (D) Vue schématique en coupe du JET. (E) En haut :Structure du polymère et coefficient d'extinction du PDMS. Spectres d'émission FIR simulés de JET pour le SE (au milieu) et le BE (en bas) dans la région de longueur d'onde de 0 à 16 µm. (F) Profils d'absorption du PDMS mince (en haut) et du JET (en bas) à une longueur d'onde de 10,75 μm, où la plus grande perte d'émission se produit dans le PDMS mince. (G et H) Puissances frigorifiques calculées (Pcool) et températures de refroidissement (Tcool) sous rayonnement solaire AM1.5G pour (G) PDMS film mince versus SE en journée et (H) SE versus BE en journée (lignes pointillées) et nuit ( Lignes solides). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb1906
Il est actuellement difficile de refroidir efficacement les espaces clos tels que les automobiles à l'arrêt qui retiennent la chaleur via l'effet de serre. Dans un nouveau rapport en Avancées scientifiques , Se-Yeon Heo et une équipe de scientifiques en science des matériaux, l'ingénierie et la nanoarchitecture au Japon et en République de Corée, a présenté un émetteur Janus (JET) pour le refroidissement de surface. Ils ont utilisé une couche d'argent (Ag)-polydiméthylsiloxane (PDMS) sur un substrat de quartz à micromotifs et le matériau leur a permis de refroidir l'espace même lorsque le JET était fixé dans une enceinte. Par conséquent, le JET (émetteur Janus) pourrait atténuer passivement l'effet de serre dans les enceintes et offrir des performances de refroidissement de surface comparables aux refroidisseurs radiatifs classiques.
Technologie de refroidissement
Les technologies de refroidissement actuelles dépendent de la compression de vapeur et des systèmes refroidis par fluide, mais ils consomment environ 10 pour cent de l'énergie mondiale, tout en accélérant l'épuisement des énergies fossiles. Entre 1990 et 2018, la quantité de dioxyde de carbone (CO
Analyses théoriques, optimisation, et la caractérisation du JET. (A) Courbe de dispersion du sSPP pour le superstrat avec l'indice de réfraction du PDMS. Zones ombrées en jaune et gris :Bande excitable et bande interdite de sSPP déterminées par les lignes lumineuses de l'air et du PDMS, respectivement. Zones ombrées orange et bleu :fenêtres sSPP du (1, 0)/(0, 1) et (1, 1) modes, respectivement. (B et C) Spectres d'émissivité en fonction de (B) épaisseur d'un superstrat non absorbant et (C) coefficient d'extinction du superstrat. Ces résultats montrent que les améliorations d'émission en fonction de l'épaisseur du superstrat et du coefficient d'extinction ne se produisent que dans les fenêtres sSPP, en particulier la fenêtre sSPP du (1, 0)/(0, 1) modes. (D) Spectres d'émissivité du PDMS à couche mince (ligne pointillée bleu ciel) et du JET sans et avec substrat SiO2 (lignes rouge et bleue, respectivement). Boîtes oranges :Zones à émissivité renforcée par les fenêtres sSPP. Boîtes blanches :régions à forte émissivité intrinsèque par PDMS en raison d'un coefficient d'extinction élevé. Boîte verdâtre :le substrat SiO2 renforce le creux d'émissivité qui est découvert par la fenêtre sSPP et la région à forte émissivité. (E et F) Optimisations du cycle de service et de la profondeur. (G) Réponse angulaire calculée de JET, montrant la caractéristique d'émission sélective maintenue jusqu'à l'angle d'incidence de 80°. (H à J) Images SEM de JET optimisé (H et I) sans revêtement Ag ou PDMS et (J) avec revêtement Ag et PDMS. (K et L) Spectres d'émissivité mesurés et simulés pour le (K) SE et (L) BE du JET fabriqué. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb1906 
Les scientifiques ont d'abord conçu un émetteur sélectif (SE) à base de polymère incorporant un faux polariton de plasmon de surface (sSPP) pour obtenir une sélectivité presque idéale. Puis ils ont montré théoriquement et expérimentalement les performances de refroidissement de l'émetteur Janus (JET) des deux côtés, un peu comme les refroidisseurs radiatifs à la pointe de la technologie. Le JET a fonctionné comme un canal de chaleur efficace pour absorber le rayonnement thermique à large bande de l'intérieur et du fond, tout en utilisant la partie supérieure pour émettre de la chaleur sous forme d'ondes infrarouges (IR) vers l'espace, un peu comme un évier froid. L'échantillon contenait une couche de polydiméthylsiloxane (PDMS), une couche d'argent de 100 nm d'épaisseur et une couche de quartz à micromotifs recouverte de PDMS de 10 µm d'épaisseur sur le fond. Le JET a minimisé les perturbations dues à l'énergie solaire et au rayonnement ambiant, où le côté inférieur a largement adsorbé le rayonnement thermique interne. L'équipe a calculé les puissances de refroidissement et les températures de refroidissement pour l'émetteur sélectif (SE) et l'émetteur à large bande (BE) au cours de l'étude.
Heo et al. a analysé les effets des résonances de polariton de plasmon de surface d'usurpation (sSPP) sur l'émissivité du JET et la simulation a montré de forts pics d'absorption résonante excités entre les deux modes sSPP, en raison de la résonance de la cavité Fabry-Pérot du montage. Le JET a montré une émissivité à angle robuste près de la fenêtre atmosphérique. À l'aide d'images de microscopie électronique à balayage (MEB), ils ont observé le quartz à micromotifs avec ou sans revêtement PDMS. Les spectres d'émissivité mesurés et simulés ont indiqué des caractéristiques presque idéales dans les émetteurs sélectifs (SE) et les émetteurs à large bande (BE) du système JET fabriqué.
Performances de refroidissement de surface de deux émetteurs en JET. (A) (En haut) Illustration schématique et (en bas) photographie du refroidisseur radiatif en configuration d'essai sur le toit. Boîte à air ambiant, qui empêche l'auto-échauffement du capteur d'air, est représenté sur la fig. S5 (A et B) en détail. Crédit photo :Gil Ju Lee, ESSENTIEL. (B) (Haut) Intensité solaire moyenne et température de refroidissement moyenne (ΔT) de SE et BE par temps clair et brumeux. Toutes les données démontrent que SE a de meilleures performances de refroidissement subambiant. (En bas) Température enregistrée détaillée mesurée du résultat pour le jour 2. (C) Composants de puissance calculés dans l'équation d'équilibre thermique (Prad, PSun, Pnon-rad, et Patm) au fil du temps, en utilisant les données de (B). La ligne pointillée indique BE, et la ligne continue est SE. (D à F) Mesures continues de trente heures pour (D) l'intensité solaire et les températures de SE, ÊTRE, et l'air ambiant; (E) humidité relative (HR) et point de rosée ; et (F) la puissance frigorifique (PCool) de SE et BE. La puissance de chauffage est générée par la sortie d'alimentation lorsque la température de l'échantillon correspond à l'air ambiant. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb1906 
Pour examiner la puissance de refroidissement et la température de refroidissement des émetteurs sélectifs et des émetteurs à large bande (SE et BE) dans l'appareil, les scientifiques ont accédé à un toit extérieur au Gwangju Institute of Science (GIST). L'équipe a empêché l'auto-échauffement du capteur d'air ambiant en utilisant une boîte à air ambiant pour ombrager le spectre solaire et a fourni un flux d'air continu à l'installation. Ils ont testé la fiabilité des capteurs de température et n'ont pas utilisé de bouclier de convection en raison d'une transmission imparfaite. Les résultats ont montré un refroidissement sub-ambiant dans différentes conditions météorologiques, où la brume et l'humidité inhibaient le transfert de chaleur vers l'atmosphère. Heo et al. a classé l'équation du bilan énergétique en régime permanent en quatre termes de puissance, incluant la (1) puissance émise par l'échantillon, (2) puissance absorbée par émission atmosphérique, (3) la puissance absorbée du rayonnement solaire et (4) le transfert de chaleur sans rayonnement, qui comprenait la conduction et la convection. Le SE était plus efficace pendant le refroidissement sous-ambiant par rapport au BE. L'équipe a mesuré la puissance de refroidissement ainsi que les conditions climatiques au cours des expériences.
Dégagement de chaleur par JET dans les véhicules à l'arrêt. Comparaison schématique d'un refroidisseur radiatif conventionnel et de notre émetteur Janus pour un véhicule à l'arrêt. Le véhicule à l'arrêt accumule l'énergie solaire et devient extrêmement chauffé. (A) Le refroidisseur conventionnel aggrave le chauffage en réfléchissant le rayonnement interne et en provoquant l'effet de serre. (B) Le refroidisseur Janus refroidit la voiture en absorbant largement la chaleur emprisonnée à l'intérieur et en l'émettant sélectivement dans l'espace extérieur. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb1906
Capacité de refroidissement du JET dans un espace clos
Bien que le transfert de chaleur se produise principalement par convection dans les zones ouvertes, le mécanisme peut différer dans un espace clos avec une source de chauffage. Par exemple, une automobile garée au soleil peut chauffer de 60 degrés à 80 degrés Celsius, bien que la température ambiante ne soit que de 21 degrés Celsius, provoquant une hyperthermie chez les enfants occupants. Pendant le rayonnement thermique de Janus, le JET (émetteurs Janus) peut fonctionner comme un canal de chaleur pour extraire la chaleur de l'enceinte et modifier considérablement la répartition de la température dans la région intérieure. Le JET est très efficace pour faire baisser la température de la zone blindée via une absorption à large bande et permettre une émission thermique sélective à travers la fenêtre atmosphérique.
L'équipe a développé un modèle expérimental utilisant du métal en aluminium et du cuir noir pour imiter un intérieur et un plancher de véhicule à l'arrêt, garé sous le soleil. Ils ont réalisé l'expérience sur un toit et ont noté les performances de refroidissement exceptionnelles du JET dans l'espace clos de manière répétitive sur quatre jours différents dans des conditions météorologiques différentes. Sur la base des résultats, l'équipe a proposé de remplacer le matériau utilisé ici par d'autres polymères pour une variété d'avantages optimisés, y compris une capacité de refroidissement globale améliorée en minimisant l'énergie solaire et en augmentant le rayonnement thermique. Les propriétés de surface du JET ont également fourni des effets d'imperméabilisation et d'auto-nettoyage.
Démonstration du refroidissement de l'enceinte à l'aide du mode Janus de JET. (A) Configuration de mesure à l'aide d'un radiateur interne. Crédit photo :Gil Ju Lee, ESSENTIEL. (B) Mesure de la température de chauffage en régime permanent avec C-RC, Rév. JET, et JET. La tension et le courant fournis à l'appareil de chauffage ont été fixés à 7,5 V et 0,105 A, respectivement, pendant 5 minutes. Les températures ambiantes moyennes étaient de 11,6°, 11,3°, et 11,0°C lors des mesures de C-RC, Rév. JET, et JET, respectivement. Crédit photo :Gil Ju Lee, ESSENTIEL. (C) Températures de chauffage simulées en tenant compte des échanges thermiques avec l'air ambiant pour les trois refroidisseurs radiatifs. hc =0 W/m2 par K se réfère à l'absence d'échange de chaleur entre l'enceinte et l'air ambiant. Les conditions de simulations sont les suivantes :flux thermique =4 W, Tamb =25°C, et l'émissivité de la fenêtre atmosphérique dans une longueur d'onde de 8 à 13 µm =30 %. (D) Température de chauffage simulée en fonction de l'émissivité de la fenêtre atmosphérique dans une longueur d'onde de 8 à 13 m pour les refroidisseurs radiatifs. Une émissivité plus faible indique une fenêtre atmosphérique plus transparente. Les paramètres de simulation sont les suivants :flux thermique =4 W, Tamb =25°C, et hc =4 W/m2 par K. Les spectres d'émissivité détaillés des refroidisseurs et de la fenêtre atmosphérique sont illustrés à la fig. S6C. (E) Installation schématique avec chauffage par rayonnement solaire externe dans une forme moulée d'une voiture. Le trou sur le dessus du boîtier en Al est couvert par l'échantillon, tandis que la face avant est recouverte d'une fenêtre transparente au soleil et réfléchissant les infrarouges. (F) Températures de l'objet radiatif pour différents groupes de matériaux de couverture :C-RC (noir), Rév. JET (rouge), et JET (bleu). (G) Mesures pendant 4 jours avec différentes conditions météorologiques de clair et de brume. Les conditions météorologiques sont estimées en termes d'énergie solaire (jaune), RH (vert), et la température de l'air ambiant (gris). Le noir, rouge, et bleu marquent respectivement les températures de trois refroidisseurs. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb1906
De cette façon, Se-Yeon Heo et ses collègues ont montré comment les émetteurs Janus fournissaient une stratégie passive d'émission sélective vers l'espace extra-atmosphérique, à côté de l'absorption à large bande sur le côté opposé de l'enceinte. Pour y parvenir, ils ont développé un émetteur sélectif (SE) presque idéal avec un spoof surface plasmon polariton (sSPP) dans un polymère PDMS recouvert d'un cadre en quartz à micromotifs recouvert d'argent pour les expériences. Ils ont examiné la capacité du JET à refroidir les enceintes, où il évacue la chaleur par rapport à d'autres matériaux. En utilisant les caractéristiques d'émission bidirectionnelles des émetteurs Janus, l'équipe a abaissé la température d'un objet radiatif dans une enceinte qui simulait un environnement automobile stationnaire. La capacité supérieure de refroidir passivement les surfaces supérieure et inférieure ainsi que les espaces clos peut permettre le développement de conceptions avancées pour minimiser l'effet de serre dans les espaces clos tels que les automobiles stationnaires.
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