電力不要の受動冷却システムが周囲温度より40°C低温を実現、低コストで導入可能

• 新しい受動冷却システムが燃料動力を使わず高温環境で効果的な冷却を提供
• 乾燥環境では周囲温度より最大40°C低い冷却が可能
• 既存冷却システムを補完し、オフグリッドの高温地域でワクチンと食品を保存可能

既存の冷却メカニズムは流体冷却と蒸気圧縮システムに依存しており、かなり複雑で高価です。一方、大気放射冷却のような受動冷却システムは、中間赤外波長での地球大気を利用して温度を大幅に低下させます。

長年、世界中の研究者たちが受動冷却システムの開発を試みてきましたが、これまで複雑なフォトニック機器を使用してこれらのシステムを構築できており、製造コストが高く広く使用できません。ほとんどはすべての波長を完璧に反射し、中間赤外放射を放出するように開発されています。しかし、これを達成するには材料の複数層を追加し、その厚さをナノメートル精度で制御する必要があります。

今、MITの研究者たちが、燃料動力を必要とせず、暑い晴れた日に冷却を提供する新しい安価な受動システムを開発しました。オフグリッド地域で医薬品と食品を保存・保存するため、他の冷却システムを補完できます。

理論的には、システムは周囲温度より最大20°C低い冷却を提供できます。しかし、実証実験では6°Cの冷却を達成しました。温度をさらに下げるには、従来の熱電冷却や冷凍システムを使用できます。

仕組み

新しい受動冷却システムは、空の軌道を覆うように90度に配置した小さなストリップを使用して直射日光を単純に遮断します。これにより追尾装置の必要性が排除されます。

研磨アルミニウム、低コストプラスチックフィルム、断熱材を組み合わせて開発されたシンプルな白色機器が、中間赤外領域での放射による熱放出を十分に可能にします。より具体的には、周囲温度付近の地上物体の放射放出のスペクトル重なり（波長8〜13マイクロメートル間）を活用します。

システムの上に傘を置き、断熱材で補完することで、日中の冷却をより効果的にしました。屋外実験を行い、システムが直射日光を効果的に遮断しながら中間赤外波長を空へ継続的に放出していることを確認しました。

参照: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-07293-9 | MIT

数十年前、科学者たちは加熱を減らすシステムの開発にのみ取り組んでいました。しかし今、彼らは日陰とサポート的な光フィルタリングメカニズムを賢く組み合わせて温度を下げています。

制限と応用

Image credit: Bikram Bhatia / MIT

システムは湿度の高い大気ではうまく機能しません。空気を通じた赤外放出量が減少し、冷却量が周囲温度より20°C（低い方）に制限されます。しかし、環境が乾燥していれば、最大40°Cの冷却が得られる可能性があります。

また、このシステムで家や建物全体を冷やすことはできません。食品や医薬品の保存のような冷凍用途にのみ使用できます。このアプローチは必要なレベルまで温度を下げるほど強力ではありませんが、既存冷却システムの負荷を少なくとも減らし、最終段階の冷却のみを提供できます。

集光型太陽光発電システムにも使用できます。特殊ミラーが太陽光を太陽電池に集光して効率を高めます。これらのシステムはしばしば過熱し、定期的な熱管理を必要とします。受動冷却システムはこの加熱問題を容易に制御でき、アクティブ熱管理の必要性を排除します。

今後数年で、研究者たちはシステムを改良しようとしています。最大の課題は、外部空気からシステム全体が過度に加熱されるのを防止できる断熱材料を発見することです。