Lume ja jää sulamise vältimine päikese käes säästval viisil on oluline teema paljudes inimelu valdkondades, alates igapäevasest külmaahela toidust ja lõpetades jääspordiga kuni jäämägede sulamiseni suurtel kõrgustel/laiuskraadidel. Statistika järgi säilib 40% maailma konserveeritud toidust (umbes 400 miljonit tonni) läbi külmaahela, mis tarbib 11% maailma elektrist ja annab umbes 2.5% globaalsetest kasvuhoonegaaside heitkogustest.

Jää sulamine päikese käes on seotud jääsüsteemi energiavoo muutumisega. Joonis 1 võtab kokku jää tüüpilise soojusvoo erinevatel laiuskraadidel. Nagu jooniselt näha, on päikesekiirgus (lainepikkus 0.3~2.5μm) peamine soojuskoormus, mis põhjustab jää temperatuuri tõusu ja sellest tulenevat sulamist. Samal ajal on keskmine infrapunakiirgus (lainepikkus 2.5–18 μm) peamine energiavoog selle suundumuse vastu. Seetõttu on suure praktilise tähtsusega uurida säästvat viisi selle energiavoo tasakaalustamiseks, et saavutada erinevate jääsüsteemide passiivne kaitse päikesevalguse käes.

Joonis 1. Jää tüüpiline soojusvoog erinevatel laiuskraadidel

Hiljutine päevane kiirgusjahutuse buum pakub strateegiat energiavoo tasakaalustamiseks. Teadlased on välja töötanud mitmesuguseid erimaterjale ja -struktuure, nagu mitmekihilised/mustrilised fotoonstruktuurid, nanoosakeste/poorsete polümeeride baasil kiled, jahutatud puit ja ülivalged katted (päikese peegelduvus suurem kui 0.95). Ülaltoodud meetodi eksperimentaalne jahutusvõimsus võib selge päevavalguses ulatuda 40–100 W·m-2 ja jahutustemperatuur on 3–13 °C. Jää säilimiseks päikese käes on aga lisaks traditsioonilistele kaalutlustele ka mitmeid rangeid nõudeid. Esiteks peab jää praktilistes rakendustes olema madalama temperatuuriga, seega vajab see väga kõrget kiirgusjahutust. Näiteks on välja arvutatud, et netokiirgusvõimsuse suurendamine 70 W·m-2-lt 110 W·m-2-le võib takistada jää/külmutatud toidu sulamist ilma täiendavate külmutusseadmeteta. Lisaks peavad külmsäilitamise erinõuete täitmiseks kiirgusjahutusmaterjalid olema rohkesti, masstoodanguna ja vähese keskkonnamõjuga.

Sel põhjusel on Jia Zhu ja Minghuai Wang Nanjingi ülikoolist välja töötanud tselluloosatsetaadil (CA) põhineva kihilise kiirgusjahutusega õhukese kile, mida saab masstootda, on keskkonnasõbralik ja mis pakub tõhusat passiivset kaitset erineva kuju/suurusega jääle. päikese käes. See töö on oluline viis tõhusa, masstoodetud ja jätkusuutliku lume- ja jääkaitse väljatöötamiseks ning annab inspiratsiooni ökosüsteemi muude võtmeelementide kaitseks. Uuring avaldatakse ajakirjas Science Advances artiklis pealkirjaga "Jää kaitsmine päikesevalguse sulamise eest radiatiivse jahutamise kaudu".

Kiirgusjahutusega õhukeste kilede projekteerimine ja iseloomustus

Molekulide sisemine vibratsioon võimaldab CA-kiledel olla lairiba- ja kõrge infrapunakiirguse kiirgusvõime, mis soodustab suure jõudlusega suuremahulist jahutamist. Kohandatud poorid toimivad sissetuleva päikesekiirguse tõhusate hajutamiskeskustena, andes CA-kilele suure päikesepeegeldusvõime. Seetõttu minimeerib kile kihiline disain jää termilist koormust päikesevalguse käes ja saavutab jääsüsteemi tõhusa passiivse kaitse erinevatel laiuskraadidel. Elutsükli lõpus saavad kihilised CA-kiled looduses mikroorganismide poolt seedida ja CA-ks lagundada. Kihilised CA-kiled on valmistatud looduslikust tselluloosist, mida leidub laialdaselt taimede rakumembraanides ja mida saab saada looduslike taimede rakuembrüodest.

joonisel fig. 2 Poorse CA membraani kihiline disain ja elutsükkel

Teadlased saavutasid CA-kile soovitud optilised omadused kihilise disaini abil ning mõõtsid CA-kile jahutustemperatuuri ja jahutusvõimsust. Jahutustemperatuur on määratletud kui kile temperatuuri alanemine ümbritsevast temperatuurist. Otsese päikesevalguse käes saavutab kihiline CA-kile jahutusvõimsuse kuni 110 W·m-2 ja jahutustemperatuuri umbes 12 ℃, mis kinnitab kihilise CA-kile head kiirgusjahutusvõimet.

Joonis 3 Väljas jää/jahutatud toidu säilitamine madalatel/keskmistel laiuskraadidel

Kiirgusjahutusega kile jää- ja lumekaitseks

Jää- ja lumipinnad (pisikesed jääkristallid) on kaks tüüpilist pinnavormi. Neil on erinev päikese peegeldusvõime, kuid sarnane keskmine infrapunakiirgus. Teadlased demonstreerisid kihiliste CA-membraanide passiivset jahutavat toimet jää- ja lumepindadele. Nagu on näidatud alloleval joonisel, domineerivad kõrgetel laiuskraadidel jää sulamisel kiirgusenergia ülekandeprotsessid, mis tulenevad sissetuleva päikesekiirguse ja keskmise infrapunakiirguse väljundist. Kuna nii langev päikesekiirgus kui ka keskmise infrapunakiirguse väljund ei sõltu pinna suurusest, kasutasid teadlased väikesemahulisi katseid, et hinnata kihiliste CA-kilede jahutavat mõju jääle kõrgetel laiuskraadidel. Tulemused näitavad, et temperatuuride erinevus kihilise disainiga ja ilma CA-kilede vahel on kuni 6.3 ℃. Nagu on näidatud alloleval joonisel C, on isegi umbes 700 W·m-2 keskmise päikesekiirguse korral kihilise disainiga CA-kiledega jää pinnatemperatuur umbes 7 ℃ jahedam kui ümbritseva õhu temperatuur. Lisaks jääle on kihiline CA-kile tagab ka hea kaitse lumepinnale. Teadlased viisid läbi välikatsed lumepindadel kihiliste CA-membraanidega ja ilma. Tulemused näitasid, et kihilise CA materjaliga lumel oli 50 protsenti rohkem jääke kui paljal lumel. Täiendavad tulemused kinnitavad otseselt, et kiirgav jahutuskile võib tõhusalt aeglustada kohalike liustike sulamist.

joonisel fig. 4. Lume ja jää kaitse CA-kile kihilise disainiga

Modelleeritakse ja analüüsitakse jää jahutavat mõju kõrgetel laiuskraadidel

Uurijad kasutasid mudelit, et hinnata filmi eeldatavat jahutavat mõju mastaabis. Teadlased kasutasid termodünaamilisi mudeleid, et uurida kümnete ruutkilomeetrite (suure suusakuurordi suurus) jäämäe (jäätükk, mis murdub lahti oma algliustikust) sulamist. Selgus, et jäämägi oli suve jooksul sulamise tõttu kaotanud oma paksusest 1 m. Seevastu kihilised CA-membraanid lisavad jäämäe paksusele 1 m. Lisaks kasutasid teadlased kliimamudeli katseid, et laiendada kihilisi CA-kilesid merejääle Beaufort Currenti piirkonnas. Nendes konkreetsetes piirkondades suurenes CA-kilega kaitstud merejää kontsentratsioon 5% kuni 40% ja paksus suurenes 0.5, 2.5 kuni XNUMX, XNUMX m, mis näitab, et meetod suudab tõhusalt kaitsta jääsüsteemi kõrge laiuskraadiga piirkonnas / sihtmärgil.

Lõpuks võeti täielikult arvesse kihilise CA-membraani biolagunevust selle kasutusea lõpus. Mullaga kokkupuute testid (Nanjingis 31 ° N juures) on näidanud, et kihiliste CA-membraanide biolagunevus on parim kiirgusega jahutusmaterjalide väljatöötamiseks mõeldud polümeeride puhul. Seetõttu peetakse seda erinevatel laiuskraadidel lume ja jää keskkonnasõbralikuks kaitseks.

Joonis 5. Jäädomeenide kaitse kõrgetel laiuskraadidel