Сам себе холодильник

Вспомните, за счет каких процессов может передаваться тепло. Какой из них способен охладить тело до температуры ниже окружающего воздуха и подложки, на которой тело лежит? Обратите также внимание, что столь эффективное пассивное охлаждение «работает» только на улице и только в ясную ночь.

Ни теплопроводность, ни обдувание воздухом не могут охладить тело до температуры ниже температуры воздуха или окружающих предметов. Эти два механизма будут нагревать обратно остывшее тело, поэтому для эффективного охлаждения ему надо обеспечить защиту от нагрева: образец должен находиться в герметичной, теплоизолирующей, но прозрачной упаковке. Но это всё вспомогательные процедуры. А механизм охлаждения здесь — это радиационная теплоотдача, остывание за счет теплового излучения. Нагретое тело испускает электромагнитные волны в далеком ИК-диапазоне и, расходуя таким способом энергию, остывает.

Однако это вовсе не ответ, а только начало разговора. Ведь остальные тела, да и сама атмосфера, тоже нагреты, они тоже излучают, и наш объект это излучение поглощает. Поэтому между нашим телом и атмосферой, по идее, должно установиться излучательное тепловое равновесие (рис. 1). Если тело вдруг остыло чуть ниже температуры воздуха, то оно стало излучать меньше, чем поглощать, и этот дисбаланс вновь согревает его до температуры окружающей среды. Заметьте, что просто так заблокировать поступающее тепло, оставив излучение, не получится. Если мы поставим тепловой экран, который спрячет наш объект от приходящего со всех сторон излучения атмосферы, то он заблокирует также и излучение объекта (рис. 1, справа). Здесь работает так называемый закон излучения Кирхгофа: чем меньше поглощательная способность, тем меньше и излучательная. Если объект неспособен поглощать, то он не может и излучать тепло.

Рис. 1. Даже если выключить теплопроводность и конвекцию, тело находится всё равно в тепловом балансе с атмосферой за счет радиационного теплообмена. Попытка выставить тепловой экран, блокирующий поступающее от атмосферы тепло, заблокирует также и собственное тепловое излучение тела

Намек на то, как выйти из этого тупика, содержится в аккуратной формулировке закона Кирхгофа. Прочитав ее, подумайте, какие излучательные свойства есть у атмосферы и как этим можно воспользоваться.

С законом Кирхгофа всё в порядке, но только надо обратить внимание, что он работает не целиком для всего излучения, а для каждой длины волны. Поглощательная/излучательная способность тела может сильно меняться в зависимости от длины волны и, к тому же, различаться для тела и для атмосферы. Поэтому правильной настройкой того, как излучательная способность тела зависит от длины волны, можно добиться сильного охлаждения.

Рис. 2 иллюстрирует эту мысль. Здесь показано, что атмосфера излучает в одном диапазоне длин волн, а тело — в другом. Поэтому надо сделать так, чтобы покрытие тела почти полностью отражало или рассеивало тепловое излучение в «чужом» диапазоне и полностью пропускало излучение в своем. В этом случае получится, что тело хорошо заэкранировано от теплового потока атмосферы, но этот экран не перекрывает канал для радиационного остывания тела сквозь прозрачную атмосферу в космос.

Рис. 2. Спектральные диапазоны теплового излучения тела и атмосферы могут сильно различаться. Если в одном диапазоне тело отражает тепло, поступающее от атмосферы, а в другом — в атмосферном окне прозрачности — излучает само, то оно может остыть намного ниже температуры окружающего воздуха

Теперь надо понять, насколько такая конструкция реальна. Вообще, при комнатных температурах тепловое излучение от тел имеет вид широкого распределения с длинами волн от нескольких микрон до нескольких десятков микрон (рис. 3, вверху). Это касалось бы и атмосферы, если бы она описывалась спектром абсолютно черного тела. Однако у атмосферы есть диапазон от 8 до 13 микрон, в котором она почти полностью прозрачна, а значит, и сама почти не излучает в этом диапазоне (рис. 3, внизу). Это так называемое инфракрасное окно атмосферы, которое играет важную роль в тепловом балансе Земли и формировании земного климата.

Рис. 3. Вверху: спектр излучения абсолютно черного тела с разной температурой. Красная линия соответствует излучению тела при комнатной температуре. Внизу: пропускная способность атмосферы для длин волн вплоть до 15 микрон. Инфракрасное окно прозрачности в области 8–13 микрон попадает как раз на пик излучения тел при комнатной температуре. Графики с сайтов sun.org и en.wikipedia.org

У подавляющего большинства тел спектр теплового излучения включает не только атмосферное окно, но и те области, где атмосфера сама излучает. За счет атмосферного окна тело может и остыть ниже температуры окружающего воздуха, однако этот эффект обычно невелик. Поэтому, если мы хотим добиться сильного охлаждения тела — то есть охлаждения не просто ниже температуры воздуха, но и холоднее всех окружающих тел, — его надо покрыть материалом, который выглядел бы «черным» (то есть сильно поглощал излучение) в диапазоне 8–13 микрон и одновременно с этим — максимально «белым» за пределами этого диапазона.

Ту же самую идею можно сформулировать иными словами. Чистому небу нельзя приписать какую-то одну, четко определенную излучательную температуру, поскольку интенсивность теплового излучения неба сильно скачет в зависимости от длины волны. Можно условно говорить про температуру неба в соответствующем диапазоне, и в области от 8 до 13 микрон небо оказывается очень холодным. Тело с покрытием, специально настроенным на этот диапазон, как бы приходит в тепловой контакт с этим очень холодным объектом, минуя теплый приземный слой атмосферы. Именно за счет этого тело и остывает так сильно.

Что касается подходящего материала, то никакого простого рецепта тут нет, и приходится действовать подбором. Так, собственно, и поступали десятилетия назад. Однако у современной физики есть кое-что в арсенале, что может еще больше оптимизировать найденный материал, — это многослойные структуры с контролируемыми электромагнитными свойствами. В оптическом диапазоне это фотонные кристаллы или их природные аналоги, обеспечивающие, например, окраску бабочек. В этих структурах, благодаря малой толщине каждого слоя (порядка или меньше длины волны), происходит интерференция света между многими слоями, которой можно управлять. Для нашей задачи надо подобрать такую же структуру, но только в ИК-диапазоне. За счет интерференции ее поглощательная способность должна быть очень низкой вне атмосферного окна и резко возрастать в диапазоне 8–13 микрон.

Что касается устройства, которое охлаждалось бы днем, на самом солнцепеке, то тут, опять же, сформулировать требование несложно. Надо, чтобы тело было покрыто материалом с очень низким коэффициентом поглощения не только в ИК, но и во всём видимом диапазоне. Другое дело, что добиться этого очень непросто.

В каком-то виде этот эффект используется в природе. Скажем, зеленые листья и так поглощают солнечный свет для фотосинтеза, и дополнительно им нагреваться за счет поглощения теплового излучения атмосферы ни к чему. Так что они довольно хорошо отражают ИК-излучение в области нескольких микрон, там, где довольно сильно светит атмосфера (рис. 4). За много миллионов лет эволюция создала структуру, у которой спектральная форма поглощательной способности тесно связана с ее биологической функцией (см. S. Jacquemoud & S. L. Ustin. Modeling leaf optical properties).

Рис. 4. Зеленый лист поглощает синюю и красную части видимого спектра и хорошо отражает не только зеленый свет, но и инфракрасное излучение для того, чтобы избежать перегрева. Изображение с сайта missionscience.nasa.gov

Что касается технологий, то первые работы по поиску покрытия, наиболее эффективно использующего инфракрасное окно атмосферы, начали появляться полвека назад (см. обзор C. G. Granqvist, 1981. Radiative heating and cooling with spectrally selective surfaces). Путем перебора материалов выяснилось, что хорошо работает покрытие из моноксида кремния SiO толщиной 1 микрон на алюминии (рис. 5). Намного более тонкое или более толстое покрытие существенно ухудшает спектральные характеристики. С таким покрытием при благоприятных климатических условиях удается достичь охлаждения на 50 (!) градусов ниже температуры окружающего воздуха (C. G. Granqvist, A. Hjortsberg, 1981. Radiative cooling to low temperatures: General considerations and application to selectively emitting SiO films). В условиях обычной ясной ночи разница поменьше, но всё равно вполне достигает 10–15 градусов. Такое устройство работает как холодильник, способный отбирать у окружающих предметов поток тепла порядка десятков Вт/м² и излучать его в космос. Внутри такого устройства летней ночью можно замораживать лед за счет — не постесняемся этих слов — прямого контакта с холодом космического пространства.

Рис. 5. Отражательная способность алюминия, покрытого микронной пленкой моноксида кремния, резко падает как раз в области инфракрасного окна атмосферы. Изображение из обзора C. G. Granqvist, 1981. Radiative heating and cooling with spectrally selective surfaces

И напоследок — изюминка. Совсем недавно физики наконец-то добились пассивного радиационного охлаждения тел не только ночью, но и днем, под прямыми солнечными лучами. Формально, методика та же: помещаем тело в герметичную упаковку и наносим такое покрытие, которое отражает или рассеивает солнечные лучи, а также весь ИК-диапазон, кроме атмосферного окна. Зато в этом окне материал излучает очень хорошо. Предварительные результаты были опубликованы в 2013 году; см. также их популярный пересказ и обсуждение в заметке В Стэнфорде изобрели полностью пассивный кондиционер. Совсем недавно результаты были улучшены, и статья этой группы вышла в журнале Nature.

Рис. 6. Устройство, способное пассивно охлаждаться на самом солнцепеке на несколько градусов ниже температуры окружающего воздуха. Изображение из статьи A. P. Raman et al., 2014. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight

Само устройство и многослойная структура покрытия показаны на рис. 6, а спектральная зависимость поглощательной способности приведена на рис. 7. Видно, что покрытие отражает или рассеивает почти весь видимый свет и ближнее ИК-излучение, однако резко «чернеет» в области длин волн выше 8 микрон. Добиться этого удалось благодаря сложной многослойной наноструктуре, которая была подобрана по результатам численного моделирования и работает за счет сложной интерференции излучения, формирующегося в разных слоях.

Рис. 7. Спектральное распределение поглощательной и излучательной способности покрытия в видимом и ближнем ИК-диапазоне (слева), а также в дальнем ИК-диапазоне (справа). Желтый график: спектральная интенсивность солнечного излучения, достигающего Земли. Синий график: пропускная способность атмосферы. Изображение из статьи A. P. Raman et al., 2014. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight

В ясный калифорнийский декабрьский день это устройство было помещено на крышу здания, и в течение всего времени велась запись температуры устройства и окружающего воздуха (рис. 8). Видно, что, как только устройство вынесли из комнаты на открытый воздух и подставили под действие солнечный лучей, оно тут же начало охлаждаться (несколько противоестественное поведение, не правда ли?). Остыв за первые пять минут, оно в дальнейшем всё время держалось при температуре на 4–5 градусов ниже температуры окружающего воздуха. Для сравнения, в тех же условиях обычный простой алюминиевый лист прогревался до 40 градусов.

Рис. 8. Температура окружающего воздуха (черный график) и устройства (синий график) ясным солнечным днем. Изображение из статьи A. P. Raman et al., 2014. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight

Если такое устройство использовать как кондиционер, то оно уже сейчас способно отбирать и переизлучать в космос поток тепла порядка 40 Вт/м². Авторы работы пишут, что дальнейшая оптимизация позволит повысить эту мощность еще раза в два. Ожидается, что в летние месяцы этот эффект будет лишь усиливаться, а значит, это покрытие может быть использовано не только для изоляции, но и для эффективного охлаждения зданий. Если технология изготовления такого покрытия станет рентабельной, то это станет поразительным по своей принципиальной простоте и по экономическому эффекту примером практического применения фундаментальной физики.