Işığı ve Isıyı Dinamik Olarak Kontrol Eden Gözenekli Polimer Kaplamalar
Fotoğraf : Islandığında beyazdan saydamlığa geçen gözenekli polimer kaplamalar, binaların ışık ve sıcaklıklarını kontrol eden paneller yapmak için plastik kaplamalara yerleştirilebilir. Kredi: Jyotirmoy Mandal / Columbia Mühendisliği
Binalar, enerji kullanımının % 30’undan fazlasını ısıtma, soğutma ve aydınlatma sistemlerine ayırmaktadır. Soğuk çatı boyaları gibi pasif tasarımlar, bu kullanımı azaltmaya ve çevre ile iklim üzerindeki etkileri konusunda oldukça katkıda bulundu, ancak önemli bir kısıtlama var – bu tasarımlar genellikle statikler ve bu nedenle günlük veya mevsimsel değişikliklere duyarlı değillerdir.
Columbia Mühendislik araştırmacıları, binalardaki ışığı ve ısıyı kontrol etmenin ucuz ve ölçeklenebilir olmasını sağlayan gözenekli polimer kaplamalar (PPC’ler) geliştirmiştir. Güneş enerjisi ile ısıtmayı ve doğal aydınlatmayı düzenlemek için PPC’lerin güneş dalga boylarındaki optik değiştirilebilirliğinden yararlandılar ve kavramı nesneler tarafından yayılan ısıyı modüle etmek için termal kızılötesi dalga boylarına genişlettiler. Çalışmaları 21 Ekim 2019’da Joule tarafından yayınlandı.
“Çalışmamız, PPC’leri alkol veya su gibi yaygın kullanılan sıvılarla ıslatarak, güneş ve termal dalga boylarındaki optik geçirgenliklerini tersine çevirebildiğimizi göstermektedir,” diyor çalışmanın başyazarı ve öncesinde Yuan Yang Laboratuvarı’nda doktora öğrencisi olan Jyotirmoy Mandal.
“Bu PPC’leri içi boş plastik veya cam panellere koyarak, iç mekan sıcaklıklarını ve ışığını düzenleyebilecek yapı zarfları yapabiliriz.”
Takımın tasarımı akıllı pencerelere benzer, ancak daha yüksek bir optik değiştirilebilirliğe sahip ve büyük ölçeklerde uygulanabilir hale getirebilecek daha basit ve ucuz malzemeler kullanılarak üretildi. Bu tasarım, binaları soğutabilen nano- mikro ölçek boyutunda hava boşluklarına sahip boya benzeri bir floropolimer (PTFE veya teflon) kaplamaları açıklayan daha önceki çalışmalara dayanmakta, ancak bu kaplama statikti. Yang, “sıcak yazlar ve sert kışlar gören New York gibi yerlerde, ısıtma ve soğutma modları arasında geçiş yapabilen tasarımlar daha faydalı olabilir” diyor.
Mandal’ın beyaz bir floropolimer olan PPC’ye dökülen birkaç damla alkol sonucu şeffaflaştığını fark etmesiyle birlikte ekip, PPC’leri yararlı bir şekilde optik olarak değiştirme çalışmalarına başladı. Mandal, “gördüğümüz şey, ıslandığında kağıdın yarı saydam olmasına neden olan mekanizmayla neredeyse aynıydı,” diyor. “Bunun fiziği daha önce araştırılmıştı, ancak gördüğümüz sert değişim bu özel durumu ve nasıl kullanılabileceğini keşfetmemizi sağladı.”
Gözeneklerdeki hava, gözenekli malzemeden (~1,5) farklı bir kırılma indeksine (~1) sahip olması nedeniyle kağıt gibi gözenekli bir malzeme beyaz görünür. Bu da onların dağılmasına ve ışığı yansıtmasına yol açar. Malzemeye daha yakın bir kırılma indeksi (~1.33) olan su ile ıslandığında, dağılma azalır ve daha fazla ışık geçer, böylece yarı saydam hale gelir. Kırılma indisleri yakından eşleştirildiğinde iletim artar. Araştırmacılar, floropolimer (~1.4) ve tipik alkollerin (~1.38) çok yakın kırılma indekslerine sahip olduğunu keşfettiler.
Yang “gözenekli polimer ıslandığında optik olarak homojen hale gelir” diyor. “Işık artık dağılmıyor, içinden geçiyor – tıpkı camdan olduğu gibi – ve gözenekli polimer saydamlaşıyor.”
Fotoğraf : Araştırmacılar yansıtıcı ve geçirgen durumlar arasında geçiş yapabilen PPC tabanlı çatıların, binaların iç sıcaklıklarını kontrol etmek için kullanılabileceğini gösterdi. Kredi: Jyotirmoy Mandalina / Mingxin Jia / Columbia Mühendislik
Alkollerin ve floropolimerin mükemmel kırılma indeksi eşleşmesi nedeniyle, ekip PPC’lerinin güneş geçirgenliğini ~ %74 oranında değiştirebileceğini fark etti -güneş ışığının görünür kısmı için değişiklik ~%80 idi-. Anahtarlama (bir durumdan başka bir duruma geçiş), tipik akıllı pencerelerden daha yavaş olmasına rağmen, geçirgenlik değişiklikleri oldukça yüksektir ve bu da PPC’leri binalardaki gün ışığını kontrol etmek için ilgi çekici hale getirir.
Ayrıca araştırmacılar, optik anahtarlamanın termoregülasyon için nasıl kullanılabileceğini araştırdı. Yang, “Binaları yaz aylarında serin tutmak için beyaz olan çatıların kış mevsiminde ısıtmanın sağlanması için siyaha dönüştüğünü hayal ettik” diyor. “Bu, binaların iklimlendirme ve ısıtma maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilir.”
Araştırmacılar fikirlerini test etmek için PPC içeren panelleri siyah çatılı oyuncak evlere yerleştirdiler. Bir panel kuru ve yansıtıcıyken, diğeri ıslak ve yarı saydamdı ve altındaki siyah tavanı gösteriyordu. Bir yaz öğlen güneş ışığı altında, beyaz çatı ~ 3C / 5F ile ortam havasından daha soğuk hale gelirken, siyah çatı ~ 21C / 38F ile çok daha sıcak hale geldi.
Ekip termal Kızılötesi dalga boylarında geçiş yapmayı da araştırdı ve kızılötesi şeffaf polietilen PPC’leri ıslatarak “buzluk” ile “sera” durumları arasında yeni bir geçiş gözlemledi. Kuruduğunda, gözenekli polietilen PPC’ler güneş ışığını yansıtır, ancak bir “buzluk” gibi davranarak yayılan ısıyı iletir. PPC’lerin ıslatılması güneş ışığını iletmelerini sağlar, tipik sıvılar termal dalga boylarını emer ve bir sera gibi yayılan ısıyı bloke eder. Hem güneş hem de termal radyasyonu modüle ettikleri için, hem gündüz hem de gece boyunca ısıyı düzenleyebilirler.
Mandal, “Basit bir şekilde elde edilmesine rağmen, geçiş diğer optik sistemlerdeki geçişe kıyasla oldukça olağandışı ve belki de ilk defa rapor ediliyor” diyor.
Yang’ın ekibi ayrıca termal kamuflaj ve yağmura tepki veren boyalar gibi diğer potansiyel uygulamaları da test etti. Bu testlerden sonuncusu, Akdeniz iklim bölgelerinde ve kurak yazları- yağışlı kışları gören Kaliforniya kıyılarındaki binaları soğutmak veya ısıtmak için kullanılabilir. Araştırmacılar şimdi, tasarımlarını büyütmenin yollarını arıyor ve bunları geniş ölçekte uygulamak ve test etmek için fırsatları araştırıyor.
Yang,” PPC tabanlı tasarımların ölçeklenebilirliği ve performansı göz önüne alındığında, uygulamalarının yaygınlaşacağından umutluyuz “diyor, “özellikle bina cephelerindeki potansiyel uygulamalarından dolayı heyecan duyuyoruz”.
Kaliforniya Üniversitesi’nde bilim adamı olarak doktora sonrası araştırma yapan Mandal, “kasıtlı olarak yaygın bulunan polimerleri ve çalışmalarımız için basit tasarımları seçtik. Amacımız onları azami etkiye sahip olmalarını sağlamak, gelişmekte olan ülkelerde yerel olarak üretilebilir ve uygulanabilir hale getirmek.” Dedi.
Çalışma “Optik ve Termal Düzenleme için Değiştirilebilir Optik Geçirgenliğe Sahip Gözenekli Polimerler” olarak adlandırılmıştır.
Kaynak : phys.org
