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不用電也能降溫?新的塑膠膜材料,接觸後溫度下降10°C

夏天不開冷氣,真的會熱到讓人崩潰,但是打開冷氣,電力負載又會大幅提高,或是可能讓電廠跳電。那有沒有什麼方法可以不耗電,又讓人覺得一切都是那麼涼爽舒適?有的!科學家今年二月發明了超強大又超便宜的塑膠,可以讓任何接觸到這種塑膠的物體降溫至多10度!

圖/Science

讓熱輻射不被空氣吸收,散熱直接散到太空去!

世界上所有有溫度的物體都會輻射出電磁波,也都會吸收電磁波,從我們生活中的各種家具、房子甚至人體也都是如此。如果某個物體輻射出了電磁波,那它的溫度就會降下來,而如果它吸收了電磁波,那就表示那個電磁波的能量,使得物體的溫度上升了。

所以,你覺得很熱,絕對不只是夏天的問題,你也有一部分的責任(誤),人體會一直輻射出近紅外線,而輻射出來的近紅外線會被人體附近的空氣吸收,吸收了這些能量後,空氣就會被加熱,所以當我們走進人多的空間,一股熱氣襲來,就是因為我們感覺到了那些「被加熱」的空氣。

因為空氣會吸收近紅外線的緣故,地球輻射出來的能量就會不斷的被空氣吸收,再輻射釋放出來,再被吸收,再被釋放出來……,如此循環下去,使得能量不太容易散出去,而這也是溫室效應保持地球溫度恆定的原理。

研究人員想到,如果可以讓物體輻射出的電磁波,不會被大氣吸收的話,那輻射出來的電磁波就能順利穿透大氣層,消散在外太空,能量就不會被鎖在大氣中,尤其是物體附近的空氣。而隨著時間的推移,輻射出越多的能量,物體的溫度就會慢慢降低。

各種不同波長的電磁波穿透大氣層的程度,縱軸穿透率(單位%),橫軸波長(單位微米),8-13 微米的區域稱為「大氣窗」,研究人員新發明的塑膠,會發出波長約3-20微米紅外線,而獲得降溫的效果。圖/Wikimedia Commons

近年來,研究人員利用這個被稱為「被動冷卻」的概念,試圖設計出一種盡可能不吸收可見光,但卻持續輻射出中、長紅外線的材料。2014年,史丹佛大學電機工程教授范善輝(音譯,Shanhui Fan)的團隊,使用半導體製程的鍍膜技術,創造出一種含有二氧化矽(玻璃)和二氧化鉿(Hafnium dioxide)的薄膜。當時他們發明的薄膜可以反射幾乎所有的光,而且能同時輻射出很多中紅外線,使得他們的薄膜產品可以將接觸物品的表面冷卻多達5℃。不過他們的發明得要使用無塵室來製作,所以成本超高,無法大規模量產。

塑料薄膜中的玻璃球強烈地輻射出紅外光,下方是薄膜接觸的冷卻對象。圖/原始文獻

當科羅拉多大學的材料科學家尹曉波(音譯,Xiaobo Yin)看到這個發明的論文時,他注意到范善輝團隊的設計是讓紅外線能在薄膜內部來回跳動,最終輻射出更多紅外線,這就像吉他的音箱一樣,聲波在裡面不斷反彈共振,而讓吉他的樂音變得更大聲。尹曉波的團隊計算出,如果在薄膜內放入直徑大約 8 微米(比紅血球稍大)的玻璃珠的話,能讓中紅外線輻射量大增。

他們的製作方式是,將玻璃粉與一種透明塑料原料(聚甲基戊烯, TPX)混合,然後把它們製成 300 毫米寬的薄膜,並且在其中一面塗銀,讓它具有像鏡子一樣的反射效果。如果把這個薄膜攤開來,底層的銀幾乎可以反射所有的可見光,所以就算在大太陽下曬,也不太會吸收能量。同時,薄膜也會吸收它所接觸的物體的熱量,並以中紅外線將能量輻射出去,所以這些熱能完全不會被空氣吸收,能一直傳到外太空而消散。

散熱塑膠薄膜,低成本又不耗電

圖/Glenn Asakawa, University of Colorado Boulder

這項發明其實能以現行製造薄膜型電子元件的方式製造(Roll-to-Roll精密捲繞對位技術),如果以這種標準化的製造流程生產,每平方公尺最多花台幣 15 元而已,成本相當低廉。

而在實際測試中,薄膜在中午的陽光曝曬下的輻射冷卻功率達到 93 W/m2,大致等於面積相當的太陽能電池產生的電力,入夜之後輻射冷卻功率還會更高,也就是說這種新式塑膠薄膜完全可以不分晝夜持續輻射降溫。根據他們的研究報告,最多能使鋪上這層塑膠薄膜的物體冷卻多達10°C,研究人員推估只要在屋頂上鋪上約 10-20 平方公尺的這種材料的話,就算是三十幾度的夏天高溫,也能讓房子維持在舒適的二十多度附近(台北的熱島效應根本不是對手了哇哈哈)。

如果想要調節降溫的程度,只需要將這種塑膠薄膜貼附在冷卻系統的水管上,再利用水將室內的熱能傳到降溫系統,調節水管中的水量,就能讓室溫穩定維持在不同溫度。雖然調節水量還是要用電,但比起現行冷卻室內空間的方式,可以剩下非常多的電力。

尹曉波教授和他的團隊已經開始嘗試應用這項發明,來降低建築物和其他大型結構的冷卻水,這在發電廠尤其有用。他也補充說,就算沒有銀塗層,塑料薄膜貼附在太陽能電池上,也可以降低太陽能板的溫度,而提高發電效率約 1-2%,也減少過熱而消耗太陽能板使用壽命的情況。

研究人員表示:「這個塑膠薄膜的優勢是全天候不用電或消耗水,我們很高興有機會能探索電業、航空航太與農業等領域的潛在用途。」

 

原始文獻:

資料來源:

  1. Cheap plastic film cools whatever it touches up to 10°C – Science
  2. New engineered material can cool roofs, structures with zero energy consumption – ScienceDaily
  3. How to keep cool without costing the Earth – The Economist

 

延伸閱讀:

  1. 承認吧,其實你根本沒想到要省電? – PanSci
  2. 熱死了!冷氣怎麼開最舒服省電? – PanSci

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關於作者

林宇軒

泛科學實習編輯,是個從學術象牙塔逃離的化學系、化學所學生。覺得自己似乎無法愛上做實驗,但認為科學還是很有趣,所以選擇寫些科普文章,跟大家分享。