中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所（CIOMP）の研究者らは、高度な放射冷却技術を通じてゼロエネルギー冷却において大きな進歩を遂げた。彼らの共同作業により、垂直面に対して周囲以下の昼間の放射冷却を実現する、AS エミッターと呼ばれる指向性熱エミッターが開発されました。この研究結果は「垂直面の準周囲日中放射冷却」と題され、Science誌に掲載された。
放射冷却の課題
自然界の重要なエネルギー伝達プロセスである熱放射は、伝統的に等方性、インコヒーレント、広帯域、非偏光の特性を示します。その結果、放射体とその環境の間で無制限の熱交換が行われ、放射熱伝達の効率と制御性が制限されます。
従来の放射冷却装置は広範囲の熱放射特性に依存しており、主に屋上などの開いた水平面に対して効果的です。これらの表面は、地面、周囲、大気中の不透明な窓との熱交換を最小限に抑えながら、涼しい空への露出を最大限に高めます。ただし、壁、衣服、車両の側面などの垂直面では、空の視野角が制限され、周囲の物体との熱交換が大きくなり、冷却効果が大幅に低下します。熱放射のスペクトルや角度を制御するこれまでの世界的な試みは、日中の垂直面での周囲温度以下の冷却という課題に対処するのに苦労していました。
革新的なアプローチと発見
Li Wei 教授率いる CIOMP 研究チームは、熱フォトニクスを利用して、複数の波長帯域にわたる角度とスペクトルの同時制御を実現しました。彼らが設計した AS エミッターには、角度的に非対称でスペクトル選択的な熱放射を生成するために、クロススケールの非対称構造が組み込まれています。この革新により、垂直面に対する効果的な日中の放射冷却が可能になりました。
主な貢献:
大気への適応: 天頂角が増加すると大気の透過率が低下することを認識し、チームは大気の透過率が最も低い角度から熱放射を遠ざけるようにエミッターを設計しました。
太陽光の反射と熱放射: AS エミッターは太陽光の反射率を最大化し、赤外線帯域でのスペクトルと角度の最適化を達成して熱吸収を最小限に抑えます。
高い冷却力: この研究では、垂直面で約 40 W/m² の冷却力を達成し、空への露出の減少や周囲の物体からの熱干渉によって課せられる制限を克服しました。
技術的基礎:
クロススケール構造設計: エミッターは非対称構造を利用して、非相反的な空間放射分布を実現します。
スペクトル選択性: 大気透明度ウィンドウ内で調整された発光。
熱光原理: 導波路、フォノン増強共鳴、対称性を破る設計を組み込んでいます。
応用例とその影響
この画期的な進歩により、特に都市環境や垂直インフラストラクチャにおけるエネルギー効率の高い気候制御における放射冷却の実用化が強化されます。この研究はまた、熱フォトニック操作における高い柔軟性を実証し、次のような機会を生み出します。
効率的な冷暖房システム。
先進的なエネルギー輸送技術。
光学および航空宇宙システムにおける高精度の熱管理。
中国国家自然科学財団の支援を受けたこの研究は、世界的なエネルギー効率と持続可能性の課題に対処する際の熱フォトニクスの可能性を示しています。