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Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4874 (2022) Citar este artigo

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21 Citações

5 Altmétrica

Detalhes das métricas

Reduzir as necessidades de aquecimento e resfriamento a partir de energia fóssil é um dos maiores desafios, cuja demanda representa quase metade do consumo global de energia, resultando em complicadas questões climáticas e ambientais. Aqui, demonstramos um dispositivo de gerenciamento térmico radiativo de modo dual de energia zero, inteligentemente comutado automaticamente e de alto desempenho. Ao perceber a temperatura para modular espontaneamente as próprias características eletromagnéticas, o dispositivo atinge ~859,8 W m−2 de potência média de aquecimento (∼91% da eficiência de conversão solar térmica) em frio e ~126,0 W m−2 de potência média de resfriamento em quente, sem qualquer consumo de energia externa durante todo o processo. Um dispositivo tão escalável e econômico pode realizar o controle de temperatura bidirecional em torno da zona de temperatura confortável da vida humana. Uma demonstração prática mostra que a flutuação de temperatura é reduzida em ~21 K, em comparação com a placa de cobre. A previsão numérica indica que este dispositivo de gerenciamento térmico de modo duplo de energia zero real tem um enorme potencial para economia de energia durante todo o ano em todo o mundo e fornece uma solução viável para atingir a meta do Net Zero Carbon 2050.

O gerenciamento térmico desempenha um papel importante nas atividades humanas, desde milhões de metros cúbicos de estruturas feitas pelo homem1 até circuitos integrados em micro e nanoescala2, e desde espaçonaves voando no espaço sideral3 até submersíveis tripulados em águas profundas4. Várias tecnologias de gerenciamento térmico foram desenvolvidas de acordo com diferentes requisitos5,6,7. No entanto, a maioria deles consegue um controle de temperatura de alto desempenho ao custo do consumo de energia, eventualmente de energia fóssil. Os relatórios apontaram que a demanda global total de energia primária está próxima de um equivalente a 15 bilhões de toneladas de petróleo em 20198, e quase 50% do consumo de energia é usado apenas para aquecimento e resfriamento diários9. Isso faz com que a crescente crise energética continue a piorar. Enquanto isso, com o rápido aumento dos gases de efeito estufa produzidos pela combustão de combustíveis fósseis, condições climáticas extremas, como calor intenso e frio intenso, têm ocorrido com frequência e de forma crescente em todo o mundo nos últimos anos10. Portanto, é particularmente importante e imperativo desenvolver várias tecnologias viáveis ​​de gerenciamento térmico de alto desempenho com baixo ou mesmo zero consumo de energia, que seja capaz de reduzir a demanda de energia fóssil e a emissão adicional de gases de efeito estufa.

O gerenciamento térmico radiativo é considerado uma plataforma promissora para aquecimento e resfriamento sem consumo de energia externa, atraindo cada vez mais atenção11. A questão mais desafiadora para atingir esse objetivo é otimizar o espectro eletromagnético exclusivo dos materiais de gerenciamento térmico, maximizando a utilização da fonte inesgotável de calor radiativo (ou seja, o sol, ~ 5800 K) e da fonte fria (ou seja, espaço sideral, ~3 K) na natureza. Mais especificamente, para aquecimento solar ideal, os materiais devem ter alta absortividade na faixa de comprimento de onda de 0,2–2,5 μm e baixa emissividade na faixa de comprimento de onda > 2,5 μm, determinada pelo espectro da luz solar e pela lei de radiação de corpo negro12. Pelo contrário, para o resfriamento radiativo ideal, especialmente no resfriamento radiativo subambiente diurno, espera-se que os materiais reflitam eficientemente a radiação solar (0,2–2,5 μm) e também tenham forte emissão seletiva de infravermelho médio na faixa de comprimento de onda específica da atmosfera transparente janela (8–13 μm) (Fig. 1)13. Observe que uma série de estudos sobre aquecimento solar e resfriamento radiativo separadamente/independentemente fizeram grandes esforços para entender completamente o mecanismo científico e desenvolver materiais de alta eficiência14,15,16,17,18,19,20. No entanto, no mundo real, quase todos os cenários ambientais vêm com o desafio de os objetos estarem localizados em um ambiente bastante dinâmico e variável, incluindo a flutuação nos aspectos de espaço, tempo, dia e estação do ano, temperatura etc. aquecimento solar fixo ou resfriamento radiativo não são completamente adequados para o ambiente dinâmico. Tomando como exemplo o aquecimento solar, o aquecimento indesejado aumentará o consumo de energia para resfriamento no calor e pode até compensar a economia de energia do aquecimento no frio. O mesmo vale para o resfriamento radiativo. Portanto, para utilização prática, é necessário um sistema de gerenciamento térmico capaz de possuir ambos acima de dois espectros eletromagnéticos opostos e alternar automática/inteligente para o modo correto respondendo ao ambiente dinâmico.

2.39) than that of PMP32. The large difference of refractive index is a condition required for multiple scattering and internal reflection in the composite matrix. As corroborated by finite difference time domain (FDTD) simulation, the smaller TiO2 NPs are more capable of redirecting incident light (Fig. 3c). On the other hand, the scattering center wavelength shows a red-shift trend with the increase in diameter of TiO2 NPs (Fig. 3d). As scattering center with high refractive index, TiO2 NPs with broad size distribution are able to produce the required scattering wavelength range covering the entire solar radiation, because of the collective effect of multiple Mie resonances (Fig. 3d and Supplementary Fig. 3). In addition, large amounts of infrared absorption peaks from various characteristics bonds in DOP-modified PMP, TiO2 NPs, adhesive, and even shape memory polymer (materials for temperature-sensitive actuating layer), provide enough infrared radiation for transferring heat into outer space (Supplementary Fig. 4). The optimized RC tape can reflect >90% of solar radiation and have high absorptivity/emissivity of ~96% in the mid-infrared atmospheric window (8–13 μm) (Supplementary Fig. 4)./p>850 W m−2. Considering the reduced ambient thermal radiation and the inevitable heat convection and conduction (Supplementary Note 4), the measuring heating flux data of dual-mode devices in both heating and cooling modes outdoors matches well with the indoor experimental results. These results demonstrate that our dual-mode device could achieve rather high-efficiency thermal management performance repeatedly in both solar heating and radiative cooling modes, and automatically switch between them according to the temperature. During the whole process, including working and switching, zero external energy is required. The dual-mode device is feasible to work in the real world throughout different seasons of the entire year. As far as we know, the design of this dual-mode thermal management device with these features combined together, including two thermal management modes, zero-energy consumption, and intelligent and free switching, has not been reported in the literature (Supplementary Table 1)./p>0.15 GJ m−2), thanks to its high solar-thermal conversion efficiency, although the total solar radiation is very low. The cooling capacity is mainly determined by temperature, less affected by the solar radiation. The peak reaches 0.24 GJ m−2 in July and August, just corresponding to the hot summer. The year-round accumulated energy saving exceeds 2.9 GJ m−2 in prediction. The maximum energy saving for heating in January will happen at αsolar = 100% and εinfrared = 0%, and that for cooling in July occurs at αsolar = 0% and εinfrared = 100% (Fig. 5c, d). It agrees well with our proposed two ideal high-selectivity electromagnetic spectrums (Fig. 1b). Compared with temperature-responding thermal management devices (including windows and coatings) reported in the literature30, 33,34,35,36,37,38, our dual-mode device could reach 91% of solar absorptivity and 8% of infrared emissivity for heating, and 90% of solar reflectivity and 97% of infrared emissivity for cooling, which is very close to the ideal electromagnetic spectrums. This great improvement of spectral selectivity puts our device in a different operational space and sets a new mark for dual-mode radiative thermal management. Some cities are selected to represent typical terrestrial climatic zones around the world (Supplementary Fig. 25 and Supplementary Table 3). It can be seen that the dual-mode device has significant effects of energy saving in almost all climate zones, whether in heating mode or cooling mode. We assumed that the dividing temperature between heating and cooling modes is 17 °C, which is approximately equal to the average temperature of Beijing in spring and autumn. The corresponding energy-saving map is shown in Fig. 5e. In January, the weather is cold in most areas north of the Tropic of Cancer, and the dual-mode device works in heating mode. In general, the closer to the Tropic of Cancer, the more energy for heating can be saved from solar-thermal conversion of dual-mode device. It is consistent with the change of solar radiation as a function of the latitude. In contrast, the weather, in most areas located in the south of the Tropic of Cancer, is warm or even hot in January. Dual-mode device in cooling mode achieves good effect of energy saving for cooling, especially in the area near the Tropic of Capricorn, where it is in summer. The above analysis describes the great potential of the dual-mode device in terms of global thermal management and energy saving./p>