Ilmakehän jäähdytysaukko viilentämään maailmaa – uudet materiaalit jäähdyttävät pintoja kuin itsestään - Tiede | HS.fi
Tiede|Fysiikka

Ilmakehän jäähdytysaukko viilentämään maailmaa – uudet materiaalit jäähdyttävät pintoja kuin itsestään

Maasta karkaa lämpöä avaruuteen tietyillä säteilyn aallonpituuksilla. Sitä voi hyödyntää viilennyksessä.

Skycool-yhtiön jäähdytyspaneeleja talon katolla Yhdysvalloissa Kaliforniassa auringonnousun aikaan.

Julkaistu: 24.6. 2:00

Helteisinä päivinä on helppo uskoa, että jäähdyttämiseen käytetään kohtalainen osa eli viisitoista prosenttia maailman sähköstä. Jäähdytys­energian tuotanto aiheuttaa kymmenesosan kasvihuonekaasujen päästöistä.

Ilmatieteen laitoksen mukaan jäähdytyksen tarve kasvaa Suomessakin, etenkin maan eteläosissa.

Jäähdytys voi olla jopa elämän ja kuoleman kysymys lämpenevällä maapallolla. Noin 166 000 ihmistä kuoli maailmassa vuosina 1998–2017 kuumuuteen, arvioi Maailman terveysjärjestö. Heistä 70 000 kuoli Euroopassa vuoden 2003 lämpöaallossa.

Britanniassa lämpöaallot aiheuttivat The Guardian -sanomalehden mukaan viime vuonna 900 ylimääräistä kuolemaa, Ranskassa CNN:n mukaan noin 1 500.

Suomessakin helteet aiheuttivat viime kesänä 380 ylimääräistä kuolemaa, pääasiassa ikäihmisten ja pitkäaikaissairaiden joukossa, arvioi Terveyden ja hyvinvoinnin laitos.

Entä jos saataisiin aikaa materiaaleja, jotka jäähtyvät helteellä miellyttävän viileiksi, ilman jäähdytyskoneita ja sähköä?

Kuulostaa ikiliikkujalta, mutta toimii jo laboratoriossa.

Stanfordin, Coloradon, Marylandin ja muidenkin yliopistojen tutkijaryhmät ovat tehneet passiivisia pintoja, jotka jäähtyvät auringossakin 4–6 astetta vii­leämmiksi kuin ympäristö.

Tempussa hyödynnetään maapallon niin sanottua infrapuna­ikkunaa.

Infrapunasäteily, jonka aallonpituus on 8–18 mikrometriä, karkaa maapallolta ilmakehän läpi. Lämpöä virtaa siis koko ajan avaruuteen tällä säteilyn taajuuksien kaistalla.

Avaruuden lämpötila on noin kolme astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Jos lämpöä on Maan pinnalla 30 celsiusastetta eli noin 300 kelviniä, lämpötilaero maapallon ja avaruuden välillä on noin 300 astetta.

Lämpöä siirtyy lämpimältä maanpinnalta hyiseen ulko­avaruuteen itsestään. Luonnon jäähdytysaukko jäähdyttää näin ollen ilma­kehää, muttei tarpeeksi nykyiseen tarpeeseen.

Tavalliset pinnat imevät auringonvalon energiaa enemmän kuin heijastavat ja säteilevät. Joten tehokkaaseen jäähdytykseen tarvitaan pinta, joka säteilee sopivia infrapunasäteitä eikä ime valon energiaa.

Vielä vähän aikaa sitten oli näiden vaadittavien ominaisuuksien yhdistäminen mahdotonta.

Nanoteknologian, fotoniikan ja metamateriaalien kehitys muutti näkymän viime vuosikymmenellä. Kun rakenteita pienennetään nanomittoihin, voidaan heijastumista hallita kvanttimekaanisilla ilmiöillä. Valoa siis pystytään ohjaamaan entistä paremmin. Aiheesta enemmän esimerkiksi tässä artikkelissa sekä tässä linkissä.

Metamateriaalit ovat tavallisten materiaalien yhdistelmiä, joilla saadaan haluttuja ominaisuuksia kemiallista koostumusta muuttamatta.

Vuonna 2014 Stanfordin yli­opiston materiaalitutkija Aaswath Raman ja hänen työtoverinsa kiinnittivät seitsemän eristekerrosta hopeisen peilin päälle. Kerrokset tehtiin hafniumin ja piin oksideista.

Levyn paksut pintakerrokset säteilevät lämpöä voimakkaasti. Ohuet alakerrokset vahvistavat hopeisen peilin kykyä heijastaa valoa. Kokeissa Kaliforniassa näin käsitellyt pinnat pystyivät talon katolla viiden asteen viilennykseen.

Ensimmäiset tulokset innoittivat aloittamaan joukon tutkimuksia etenkin Yhdysvalloissa ja Aasiassa. Hankkeissa tavoitellaan nyt halpoja ja helposti valmistettavia materiaaleja.

Coloradon yliopistossa Xiaobo Yinin ja Ronggui Yangin ryhmät ovat valmistaneet jäähdytys­materiaalia lasin ja polymeerin hybridistä. Muovikalvoa muistuttavaa materiaalia voidaan valmistaa laitteilla, jotka muistuttavat painokonetta.

Pienikin jäähdytysteho auttaa, jos materiaali on halpaa. Kiinalaisen Nanjingin yliopiston materiaalitutkija Zhenggang Fang ryhmineen vakuuttaa, että heidän nanomateriaalista tehty pinnoitteensa jäähtyy yhden asteen verran. Se vähentäisi energiankulutusta merkittävästi.

Jäähdyttävän pinnoitteen ongelmana on usein se, että väri on valkoinen.

Columbian yliopiston ryhmä on esitellyt kiinalaisten kollegojensa kanssa kaksikerroksisen maalin, joka viilentää pintaa noin kolme astetta. Maalin väri voi vaihdella.

Poistamalla puusta ligniini ja puristamalla jäljelle jäänyt selluloosa tiiviiksi saadaan levyä, joka säteilee lämpöä avaruuteen.

Suomalaisittain kiinnostava materiaali on puupohjainen jäähdytyslevy.

Materiaalitutkijat Liangbing Hu Marylandin yliopistosta ja Xiaobo Yi Coloradon Boulder-yliopistosta poistivat ensin puusta ligniinin. Jäljelle jääneen selluloosan he puristivat kokoon. Syntynyt vaalea levy säteilee lämpöä tehokkaasti avaruuteen.

Kokeissa Arizonassa jäähdytyspuu alensi lämpötilaa päivällä neljä astetta.

Tutkijat ovat laskeneet, että uudella puumateriaalilla voidaan vähentää jäähdytyksen kuluja Yhdysvaltojen oloissa 20–50 prosenttia. He ovat perustaneet yrityksen, Inventwoodin, kaupallistamaan tuloksia.

Tekniikan mahdollisuuksista käytännössä nousee kysymyksiä.

Yksi on raaka-aine. Mistä puusta jäähdytyspuuta jalostetaan? Tutkijoiden julkaisut vaikenevat puulajeista.

Kelpaisivatko esimerkiksi suomalaiset mänty, kuusi ja koivu?

”Havaitsimme, että monet puulajit kelpaavat, mainitsemanne myös”, Hu vastaa Helsingin Sanomille.

Inventwood LLC kaupallistaa parhaillaan tätä tekniikkaa.

Rakennusten kattojen ja seinien lisäksi viilentää voidaan periaatteessa mitä tahansa pintoja, kuten vaatteita.

Materiaalitutkija Yi Cuin ryhmä Stanfordin yliopistossa on tehnyt viilentävän tekstiilin polyeteenistä ja nanokokoisista sinkkioksidihiukkasista. Kangas jäähdytti ihmisen ihoa matkivaa pintaa 5–13 astetta laboratoriossa.

Tekstiilin ei välttämättä tarvitse olla valkoinen, mikä lisää vaatesuunnittelijan vapautta. Aiheesta lisää tässä linkissä.

Viilentävien materiaalien toimivuutta eri ympäristöissä on myös tutkittu.

Kuumat ja kuivat alueet, kuten Yhdysvaltojen lounaisosat ja Lähi-Itä, ovat ensimmäisinä säteilyjäähdytyksen kehittäjien mielessä. Pilvet ja kosteus nimittäin heikentävät infra­punaikkunan tehoa.

Tämäkin rajoitus on ylitettävissä, ovat hongkongilaiset tutkijat osoittaneet. He ottivat oppia Saharassa elelevältä hopeamuurahaiselta, jonka karvojen kolmiomainen muoto edistää säteilyjäähdytystä.

Kopioimalla muurahaisen jäähdytysjärjestelmää tutkijat tekivät materiaalin, joka viileni kuusi astetta Hongkongin subtrooppisessa ilmastossa.

Uudet jäähdyttävät ratkaisut ovat todennäköisesti yhdistelmiä eri tekniikoista. Jäähdyttäviä materiaaleja yhdistetään nykyisiin jäähdytyslaitteisiin.

Rakennusten ilmastoinnissa kiertää usein vettä tai muuta kylmäainetta.

Kansallinen laboratorio PNNL arvioi Yhdysvalloissa pian ensimmäisten infrapunakokeiden jälkeen, että säteilyjäähdytys toimii parhaiten vesijäähdytyksen kanssa.

Stanfordin yliopiston energiatutkija Eli Goldstein työtovereineen on laskenut, että suuret, neliömetrien kokoiset infra­punapaneelit pystyvät jäähdyttämään nestettä 3–5 astetta. Jäähdytysteho nousee noin 20 prosenttia.

Goldstein on työtovereineen perustanut yrityksen, SkyCool Systemsin, kaupallistamaan tekniikkaa.

Kehittämistä riittää yhä. Jäähdytystä halutaan myös säätää. Helteellä sopivasti viilentävä vaate voi olla illalla liian viileä. Tutkijat etsivät materiaaleja, joiden lämpösäteily lakkaa, kun ilma viilenee.

Columbian yliopiston fyysikko Jyotirmou Mandal ryhmineen on kehittänyt huokoisia polymeerejä, joiden ominaisuuksia kosteus muuttaa. Jäähdytystä voidaan säätää kuivattamalla tai kostuttamalla.

Tutkijat varoittavat: Ilmakehään suihkutettavat kemikaalit viilentäisivät ilmastoa kuin tulivuoren­purkaus – mutta seurauksena voisi olla katastrofi

Jos lentokoneet ripottelevat ruokasuolaa ilmakehään, niin sitten viilenee – tutkija vertaa konstia morfiiniin

Maapalloa voidaan joutua viilentämään: merten lannoitusta on jo kokeiltu – tutkijoiden hurjimmissa visioissa käytetään avaruuspeilejä ja valkaistaan pilviä

Seuraa uutisia tästä aiheesta

Luitko jo nämä?

Luetuimmat - Auto & Tiede