Yeni Akıllı Çatı Kaplaması Yıl Boyunca Enerji Tasarrufu Sağlayacak
Fotoğraf 1: Sıcaklık uyarlamalı ışınımsal kaplama örnekleri. Malzeme Scotch bant gibi görünür ve çatıya yapıştırılır.
Buluş, doğal gaz veya elektrik tüketmeden ev sıcaklığını düzenler.
Bilim insanları, kış aylarında evleri sıcak tutan ve yaz boyunca doğal gaz veya elektrik tüketmeden serin tutan, sezon boyu akıllı çatı kaplaması geliştirdiler. Science dergisinde raporlanan araştırma bulguları, enerji tasarrufunda ticari havalı çatı sistemlerinden daha iyi performans gösteren çığır açan bir teknolojiye işaret eder.
“Tüm mevsimlerde kullanılan çatı kaplamamız, dış mekan hava sıcaklığına bağlı olarak, sizi serin tutmaktan sıcak tutmaya otomatik olarak geçer. Bu, enerji içermeyen, emisyonsuz klima ve ısıtma, hepsi tek bir cihazda.” dedi.
Günümüzde yansıtıcı kaplamalar, membranlar, shingleler veya fayanslar gibi soğuk çatı sistemleri, güneş ışığını yansıtarak evleri soğutan açık renkli veya koyu renkli yüzeylere sahiptir. Bu sistemler aynı zamanda emilen güneş ısısının bir kısmını termal kızılötesi radyasyon olarak yayar; ışınımsal soğutma olarak bilinen bu doğal süreçte termal kızılötesi ışık yüzeyden uzağa yayılır.
Wu, şu anda piyasada bulunan birçok soğuk çatı sistemiyle ilgili sorunun, kış aylarında ısı yaymaya devam etmesi ve bu da ısıtma maliyetlerini arttırması olduğunu söyledi.
“Sıcaklık uyarlamalı ışınımsal kaplama adı verilen yeni malzemelerimiz, kışın ışınımsal soğutmayı otomatik olarak kapatarak enerji tasarrufu sağlayabilir ve aşırı soğutma sorununu çözebilir,” diyor.
Her Mevsim İçin Bir Çatı
Fotoğraf 2 : Doğu Körfezi tepelerinde çatı deneyine hazırlık yapın. Deneyden alınan veriler, bu malzemenin kıta ABD’sinde 15 farklı iklim bölgesini temsil eden şehirlerde yıl boyunca nasıl performans göstereceğini simüle etmek için kullanılmıştır (Courtesy of Junqiao Wu).
Metaller tipik olarak elektrik ve ısı iletkenlerinden iyidir. 2017 yılında Wu ve araştırma ekibi, vanadyum dioksitli elektronların elektriğe metal gibi davrandığını, ancak ısıtmak için bir yalıtkan gibi davrandıklarını keşfettiler. Yani, çok fazla ısı vermeden elektriği iyi iletme özelliğine sahiptirler. Wu, “Bu davranış, elektronların ısı ve elektriği orantılı olarak ilettiği diğer metallerin çoğuyla karşıtlık oluşturuyor,” dedi.
Yaklaşık 67 santigrat derecenin (153 Fahrenhayt derece) altındaki vanadyum dioksit de termal kızılötesi ışığa karşı şeffaftır (ve bu nedenle absorptif değildir). Ancak, vanadyum dioksit 67 santigrat dereceye ulaştığında metal hale geçer ve termal kızılötesi ışığı absorblar. Bu özellik, bir fazdan diğerine (bu durumda, bir yalıtıcıdan metale) geçiş yapabilme özelliği faz değişimi malzemesi olarak bilinen bir özelliktir.
Vanadyum dioksitin bir çatı sisteminde nasıl performans göstereceğini görmek için Wu ve ekibi 2 santimetreye 2 santimetrelik bir TARC ince film cihazı tasarladı.
Wu, TARC “Scotch bant gibi görünür ve çatı katı gibi sert bir yüzeye yapıştırılır,” dedi.
Önemli bir deneyde, çalışmanın ortak yazarlarından Kechao Tang, geçen yaz Wu’nun Doğu Körfezi’nde bir çatı deneyi yaparak teknolojinin gerçek bir ortamdaki uygulanabilirliğini gösterdi.
Wu’nun balkonuna kurulan bir kablosuz ölçüm cihazı, bir TARC örneğinden, ticari bir karanlık çatı örneğinden ve ticari bir beyaz çatı örneğinden alınan doğrudan güneş ışığı ve dış sıcaklıktaki değişikliklere verilen yanıtları sürekli olarak birkaç gün boyunca kaydetti.
TARC, Enerji Tasarruflarından Nasıl Daha İyi Performans Gösterir?
Araştırmacılar daha sonra, TARC’ın kıta ABD’sinde 15 farklı iklim bölgesini temsil eden şehirlerde yıl boyunca nasıl performans göstereceğini simüle etmek için deneyden elde edilen verileri kullandı.
Fotoğraf 3 : Kaichen Dong (solda) ve Jiachen Li, TARC akıllı çatı kaplamasını geliştirmek için kullanılan Darbeli Lazer Biriktirme (PLD) cihazını ayarlıyor.
Wu, çatı yüzey sıcaklığı modellerini iyileştirmelerine yardımcı olmak için Berkeley Laboratuvarı’nın Enerji Teknolojileri Alanındaki Isı Adası Grubu’nun bir personel bilimcisi ve lideri olan çalışmanın ortak yazarı Ronnen Levinson’ı görevlendirdi. Levinson, Isı Adası Grubu’nun daha önce Amerika Birleşik Devletleri’ndeki soğuk çatı ve duvarları iyileştirebilmek için gerçekleştirdiği 100.000’den fazla bina enerji simülasyonundan oluşan bir dizi TARC enerji tasarrufunu tahmin etmek için bir yöntem geliştirdi.
Geçen yıl Wu için yaz stajyeri olarak çalışan Oakland’deki Doğu Körfezi Yenilik Akademisi’nde 12. Sınıf öğrencisi Finnegan Reichertz, TARC ve diğer çatı malzemelerinin belirli zamanlarda ve yıl boyunca araştırmacıların literatürde incelemiş olduğu 15 şehir veya iklim bölgesinin her biri için belirli günlerde nasıl performans göstereceğini simüle etmesine yardımcı oldu.
Araştırmacılar, TARC’ın 15 iklim bölgesinden 12’sinde, özellikle de San Francisco Körfezi gibi gündüz ve gece ya da New York Şehri gibi kış ve yaz aylarında geniş sıcaklık değişimlerine sahip bölgelerde, enerji tasarrufu için mevcut çatı kaplamalarından daha iyi performans gösterdiğini ortaya çıkardılar.
Araştırma sırasında Wu laboratuvarında doktora sonrası araştırmacılardan biri olan Tang, “TARC kurulduğu zaman, ABD’deki ortalama ev %10’e varan oranda elektrik tasarrufu yapabilir,” dedi. Şu anda Çin’in Pekin’deki Peking Üniversitesi’nde yardımcı öğretim görevlisi olarak görev yapıyor.
Standart soğuk çatılarda, soğuk havalarda bile yüksek güneş yansıması ve yüksek termal yayım (termal kızılötesi radyasyon yayarak ısı yayma özelliği) bulunur.
Araştırmacıların ölçümlerine göre, TARC yıl boyunca güneş ışığının yaklaşık %75’ini yansıtır ancak ortam sıcaklığı sıcakken (25 santigrat derece veya 77 Fahrenheit derecenin üzerinde) termal emisyonu yüksektir (yaklaşık %90) ve gökyüzüne ısı kaybını teşvik eder. Levinson, soğuk havalarda TARC’ın termal emisyonunun otomatik olarak düşük seviyeye geçeceğini ve güneş emilimi ve iç mekan ısıtmasından kaynaklanan ısının korunmasına yardımcı olduğunu söyledi.
Berkeley Laboratuvarının Moleküler Foundry’de gelişmiş araçlar kullanılarak yapılan kızılötesi spektroskopi deneylerinden elde edilen bulgular simülasyonları doğruladı.
Wu, “TARC’ın çalışacağını tahmin ettik, ama çok iyi çalıştığı için şaşırdık” dedi. “Başlangıçta ısınmadan soğutmaya geçiş çok etkili olmayacak diye düşündük. Simülasyonlarımız, açık hava deneylerimiz ve laboratuvar deneylerimiz aksi takdirde kanıtlandı – gerçekten heyecan verici.”
Araştırmacılar, pratik bir çatı kaplaması olarak performansını daha da test etmek için daha büyük ölçekte TARC prototipleri geliştirmeyi planlıyorlar. WU, TARC’ın aynı zamanda akıllı telefonlarda ve dizüstü bilgisayarlarda pil ömrünü uzatmak ve uyduları ve araçları aşırı yüksek veya düşük sıcaklıklara karşı korumak için termal olarak koruyucu bir kaplama potansiyeli olabileceğini söyledi. Ayrıca çadırlar, sera kaplamaları, hatta şapkalar ve ceketler için sıcaklık ayarlayıcı kumaş yapmak için de kullanılabilir.
Çalışmada baş yazarlar arasında Kaichen Dong ve Jiachen li yer alır.
Molecular Foundry, Berkeley Laboratuvar’da bir nano bilim kullanıcı tesisidir.
Bu çalışma daha çok ABD Enerji Dairesi Bilim Ofisi ve Bakar Bursu tarafından desteklendi.
Bu teknoloji, lisanslama ve işbirliği için kullanılabilir. İlgilenirseniz, lütfen Berkeley Lab’in Fikri Mülkiyet Ofisi, ipo@lbl.gov ile temasa geçin.
1931 yılında, en büyük bilimsel zorlukların takımlar tarafından en iyi şekilde ele alındığına inanılan Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve bilim adamları 14 Nobel Ödülü ile tanındı. Bugün Berkeley Laboratuvarı araştırmacıları sürdürülebilir enerji ve çevre çözümleri geliştiriyor, kullanışlı yeni materyaller hazırlıyorlar, bilgi işlemin öncülerini geliştiriyorlar ve hayatın, meselenin ve evrenin gizemlerini inceliyorlar. Dünyanın dört bir yanından gelen bilim insanları kendi keşif bilimleri için Laboratuvar tesislerine güveniyorlar. Berkeley Laboratuvarı, Kaliforniya Üniversitesi tarafından ABD Enerji Dairesi Bilim Ofisi tarafından yönetilen çok programlı bir ulusal laboratuvardır.
ABD Enerji Dairesi Bilim Ofisi, ABD’deki fiziksel bilimler alanında yapılan temel araştırmaların en büyük destekçisidir ve zamanımızın en acil zorluklarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır. Daha fazla bilgi için lütfen energy.gov/science adresini ziyaret edin.
Kaynak : newscenter.lbl.gov
