Avaruusjäähdytin (Space Cooler 2)

[KEW]

Liittyyköhän tämä uutinen tähän keksintöön?

http://www.tekniikkatalous.fi/energia/ihmelaite+viilentaa+sisailmaa++ja+lammittaa+ulkoavaruutta/a1033554

Ihan yliopistotason uutinen!

Kaj Wikstedt

[mrkat]

Liittyyköhän tämä uutinen tähän keksintöön?

http://www.tekniikkatalous.fi/energia/ihmelaite+viilentaa+sisailmaa++ja+lammittaa+ulkoavaruutta/a1033554

Ihan yliopistotason uutinen!

Kaj Wikstedt

Kyllä liittyy, koska meinasin itsekin linkittää..

Journalisteilla tosin tuli linkkiketjussaan se moka että väittivät että menee/toimii pilvienkin läpi joka on BS.

Linkkiketju on..:

http://www.extremetech.com/extreme/195105-stanford-uses-the-ultimate-heat-exchanger-outer-space-for-free-unlimited-cooling
http://spectrum.ieee.org/tech-talk/green-tech/solar/passive-radiators-cool-by-sending-heat-straight-to-outer-space

josta päästää vihdoin arvostettuun Nature:een:
http://www.nature.com/nature/journal/v515/n7528/full/nature13883.html
"Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight"
"Using a thermal photonic approach14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, we introduce an integrated photonic solar reflector and thermal emitter consisting of seven layers of HfO2 and SiO2 that reflects 97 per cent of incident sunlight while emitting strongly and selectively in the atmospheric transparency window. When exposed to direct sunlight exceeding 850 watts per square metre on a rooftop, the photonic radiative cooler cools to 4.9 degrees Celsius below ambient air temperature, and has a cooling power of 40.1 watts per square metre at ambient air temperature. "

Suomeksi: Eka kerran suorassa 850 W/m2 auringonvalossa on laite saatu passiivisesti viilentymään.  4,9 C-astetta ja jäähdytysteho 40 W/m2.


Josta muuten viite 12 kertoo ruotsalaisten mielenkiintoisista tutkimuksista v:lta 1995
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0927024894002002
-Nilsson et al, 1995
"Pigmented foils can promote radiative cooling of an underlying object if they reflect most of the solar light and transmit a part of the thermal radiation in the atmospheric window in the infrared. In this paper we describe the optimization of optical properties, and simulations of thermal performance during the day for pigmented polyethylene foils. The tested pigment materials were ZnS, ZnSe, TiO2, ZrO2 and ZnO. It was found that only ZnS could promote cooling of a black body radiator in an insulated box at noon with the sun in zenith position. A 400 µm thick ZnS pigmented foil with a pigment volume fraction of 0.15 and a solar reflectance of 0.849 was tested in Tanzania. At noon the temperature was slightly above the ambient, and the heating power was approximately 7.2 Wm-2. However, this foil proved that cooling of a black surface could be obtained more than 19 hours per day in an arid location close to the equator."

Suomeksi: (Kaupan kassapussien:) polyeteenikalvo päällystettynä 0.4 mm sinkkisulfidikerroksella torjuu valon mutta säteilee infrapunasäteilyä avaruuteen niin että Tansaniassa viilenti 19 tuntia vuorokaudesta, mutta keskipäivän aikoihin lämpeni hiukan ilmaa lämpimämmäksi vain 7,2 W/m2 teholla. Olosuhteiden on oltava kuivat. Näin siis v. -1995.

[mistral]

Jos kenellä on avaruusjäähdytin, nyt voisi kokeilla pääseekö sillä alle 40 asteen kylmyyteen. Jos ulkona on -20, luulisi -40 olevan mahdollista.

[mrkat]

Ulkona peräti -30 °C, mutta avaruusjäähdyttimellä sain (vain) -40,9 °C, vaikka ilma läpinäkyvän kirkas ja taivas aivan pilvetön.

Tarkemmin syitä laskeskelin, että 0°C:ssä pinnan lämpösäteilyteho on 315 W/m2 mutta -40°C:ssä vain 167W/m2. Näin koska lämpösäteily on lämpötilan 4:nteen potenssiin ja teho heikkenee nopeasti kun vähänkään lähestytään absoluuttista nollapistettä.
Sensijaan lämpövuoto styrox-seinämien läpi ollee vain suoraan verrannollinen lämpötilaeroon ja siksi lämpötilaero kovimmilla "tulipalopakkasilla" jää vaatimattomaksi 10..12°C:hen.
 Kovin alhaisilla lämpötiloilla lämpösäteilyjakaumassa voi tulla myös hiilidioksikaistan "takaisin"säteilyn osuus merkitseväksi.

Lämpimillä kesäilmoilla (helteillä jne) taas ilma voi sisältää paljon kosteutta ja "takaisin" jäähdyttimeen lämpöä säteileviä vesimolekyylejä vaikka kosteusmittari näyttäisikin suht. kuivaa ilmaa ja taivas olisi kirkkaan kauniin tumman sininen.
 Näin ollen optimi lienee jossain noiden välillä +-0°C:n kieppeillä.

JK1. Harmittaa että tuo jäi 0,3 asteen päähän Suomen tämän talven ennätyksestä (-41,2 °C).
JK2. Se oli kuitenkin makee avaruudellinen extremekokemus kun nostin kannen ja otin lähes -41 C lämpömittarin lasin käteen. Tuntui polttavalta! Aamulla peukalo oli vähän paisunut ja hellä.
   Nuorena tai lapsena on ollut vastaava kokemus -35..-36 C pakkasesta kun piti työntää työntekijän autoa liikkeeseen ja rukkasen reiän läpi auton metallipinta "poltti kättä". Silloin mittailtiin hangen pinnalta -37°C tai -38°C jota kylmempää en ollut tuohon asti kokenut n.s luonnossa. (Nestetypessä uitettua höttöstä salmiakkia suuhun fysiikan opiskelijoiden tarjomana ei nyt lasketa).

[mistral]

Ulkona peräti -30 °C, mutta avaruusjäähdyttimellä sain (vain) -40,9 °C, vaikka ilma läpinäkyvän kirkas ja taivas aivan pilvetön.

Tarkemmin syitä laskeskelin, että 0°C:ssä pinnan lämpösäteilyteho on 315 W/m2 mutta -40°C:ssä vain 167W/m2. Näin koska lämpösäteily on lämpötilan 4:nteen potenssiin ja teho heikkenee nopeasti kun vähänkään lähestytään absoluuttista nollapistettä.

Näköjään jäähdytysteho pienenee matalissa lämpötiloissa. Ja jonkun verran hiilidioksi heijastaa takaisinpäin ilmakehästä.

Löysin Ilmatieteenlaitoksen linkistä eri kaasujen vaikutusta: http://ilmatieteenlaitos.fi/documents/30106/42362/ipcc5-yhteenveto-suomennos.pdf/4332dffb-da72-41c9-a23d-24215c5cbbac
________________________________
Ihmiskunnan päästöistä aiheutuvan säteilypakotteen kokonaisarvo oli vuonna 2011 (vertailukohtana vuosi 1750) 2,29W/neliömetri

josta hiilidioksidin osuus 1,68W/neliömetri
metaani 0,48W
halogenisoidut hiilivedyt 0,18W
__________________________________

Säteilypakote lienee keskiarvo koko planeetan päivä/yö/päiväntasaaja/arktiset alueet. Eli noilla vateilla ei voi suoraan laskea avaruusjäähdyttimen juttuja mutta antavat kuvaa eri kaasujen vaikutuksista.

[mrkat]

Nuo watit tarkoittaa siis suhteellisia muutoksia by ihminen. Tässä toinen näkökulma:

Vesihöyry on tärkein luonnollisen kasvihuoneilmiön aiheuttaja. Se nostaa maapallon pintalämpötilaa 21 asteella, kun hiilidioksidin vaikutus luonnollisella pitoisuudella on 7 astetta ja muiden kasvihuonekaasujen yhteensä 5 astetta.
- http://ilmasto.org/ilmastonmuutos/kasvihuoneilmio-ja-ilmastonmuutos/kasvihuonekaasut

Hiilidioksidin osuus tuossa yllättävän iso. Asiaa sekoittaa
- takaisinkytkennät: kun CO2-nousu+lämpeneminen hilaa vesihöyryn määrää myös ylöspäin ja toisinpäin (lämmennyt vesi päästää CO2:ta ilmaan).
- vaikutus ei ole lineaarinen.

Tässä wikin graafissa näkyy CO2:n kaistat:


Yllä oikealla näkyy maan lämpösäteilyn jakauma lämpötiloissa 210 K .. 310 K eli -63 °C .. +37 °C. Musta käyrä on tuo kylmempi -63 °C:n käyrä, tumman sininen on 260K eli -13 °C:n käyrä. Säteilymaksimi (aallonpituus) siirtyy kovilla pakkasilla 10 um:stä tuonne 12-14 um:n lähelle ja CO2-käyrästä näkyy (se alkaa jostain 12-14:n um:stä oikealle jonnekin 18 um:n paikkeille) että se kaappaa siitä suhteessa suuremman siivun kuin lämpimämmän maan säteilystä.
 

[mrkat]

Normaaleimmilla kevät-kesä lämpötiloilla teoreettinen raja avaruusjäähdyttimelle olisi noin 30°C lämpötilaero,
ja minun vehkeellä saavutetaan 2/3 tuosta.

Jos tekisi vaikka tuulelta suojaan kylmään laaksoon metsäaukion keskelle lumeen paraboloidisen 5-10 metrin halkaisijaisen lumilinnan jonka sisältä yläosan päällystäisi 1.3x2.2m peilikirkkailla avaruuslakanoilla (SPR:n käyttämät "space blanket":t a 4 €/kpl) ja sen keskelle sitten pohjalle laittaisi tuon avaruusjäähdyttimeni (SC) niin pitäisi jo tulla eri hyviä tuloksia kun ns. monivaiheinen jäähdytin. :D

  _                               _ 
  | \                            / |
  |  \                          /  |   
  |    \          SC        /    |
_|       \ _________/       |___
 
  <---------5-10m-------->

[mistral]

Nuo watit tarkoittaa siis suhteellisia muutoksia by ihminen.

Ai niin, totta vatit on tulevan säteilyn ja lähtevän säteilyn erotus. Tuosta Ilmatieteenlaitoksen linkistä ei ollut apua tähän kysymykseen.

[Zalama]

Nyt täytyy sanoa, että energia DI:nä tämä kyllä herätti suuren kiinnostuksen. Tunnen kyllä tämän ilmiön, sillä luonnossa sitä tapahtuu kun ollaan hieman nollan yläpuolella ja on kirkas taivas. Tällöin lätäköt saattavat jäätyä vaikka oltaisiin kokoajan hieman nollan yläpuolella.

Heti ensimmäisei rupesin miettimään, että onkohan ketään testannut eri muovien spektrien ominaisuuksia. Kiinnostavinta olisi ehkä valkoiset muovit jotka saattaisivat IR-taajuudella silti olla läpinäkyviä. Helpoimmin saattaisi vertailua pystyä tekemään lämpökameralla tasalämpöistä taustaa vasten (vierelle eri muovilaatuja).

Lisäksi kiinnostaisi pohjaa varten materiaalin valinta, jolla olisi korkea emissiviteetti mutta alhainen absorbtiokerroin. Fundamentals of mass and heat transfer opuksessa mm. mustalle maalille (parsons, mikälie) on annettu korkea absorbtiokerroin mutta myös korkea emissiviteetti (a = 0,98 ja e = 0,98). Valkoiselle akryylimaalille taas on annettu absorbtiokertoimeksi 0,26 ja emissiviteetiksi 0,9 eli heijastaa merkittävän osan tulevasta säteilystä takaisin. Myös anodisoidulle alumiinille on melko hyvät arvot (a = 0,14 ja e = 0,84). Lista ei ole kovin kattava eikä mainittu tarkoittaako anodisointi myös värjäystä joka voidaan tehdä samassa yhteydessä. Tällä kuitenkin pitäisi olla aika merkittävästi vaikutusta.

[mistral]

Heti ensimmäisei rupesin miettimään, että onkohan ketään testannut eri muovien spektrien ominaisuuksia. Kiinnostavinta olisi ehkä valkoiset muovit jotka saattaisivat IR-taajuudella silti olla läpinäkyviä.

Meinasitko että päivävalaistuksen aikana estäisi sinitaivaan näkyviä aallonpituuksia?

Tuli mieleen jos muovilevyn joka on pakastimen päällä voisi pinnottaa jollain lakalla tai öljyllä joka blokkaisi sinitaivaan mutta läpäisisi lämpösäteilyn, saattaisi teho parantua.

[Zalama]

Meinasitko että päivävalaistuksen aikana estäisi sinitaivaan näkyviä aallonpituuksia?

Tuli mieleen jos muovilevyn joka on pakastimen päällä voisi pinnottaa jollain lakalla tai öljyllä joka blokkaisi sinitaivaan mutta läpäisisi lämpösäteilyn, saattaisi teho parantua.

Kysehän ei ole vain näkyvän valon spektristä vaan ilmakehän CO2 ja H2O säteilevät infrapunaa myös. Mutta kyllä sen pitäisi auttaa myös näkyvään valoon. Tosin en itseasiassa tunne miten lineaarisia absorbtiokertoimet ovat eri taajuuksille.

Pinta jolla olisi alhainen absorbtiokerroin heijastaisi hyvin valoa. Pinnat jotka heijastavat hyvin valoa ovat itseasiassa juuri kirkkaita (valkoisia jos koko spektrin alueelta) eli se heijastaisi suurimman osan säteilystä takaisin. Absorboituva säteily muuttuu siis lämmöksi siinä pinnalla. Monilla kirkkailla pinnoilla kuitenkin emissiviteetti on myös alhainen, mutta tosiaan pikaisella valkoinen akryylimaali ja sinkkioksidimaali olisivat testaamisen arvoisia. Tämä ennenkaikkea auttaisi päivällä, jolloin on paljon epäsuoraan auringon säteilyä (heijastuksia pilvistä yms).

Itse jo ryhdyin suunnittelemaan omaa versiota, tietysti 3d mallintamalla ;) Siihen suunnittelin maalattua peltiä.

[mrkat]

Heti ensimmäisei rupesin miettimään, että onkohan ketään testannut eri muovien spektrien ominaisuuksia. Kiinnostavinta olisi ehkä valkoiset muovit jotka saattaisivat IR-taajuudella silti olla läpinäkyviä. Helpoimmin saattaisi vertailua pystyä tekemään lämpökameralla tasalämpöistä taustaa vasten (vierelle eri muovilaatuja).

Käytännön koe: Tupperware-astioita, suht valkoisia, löytyi komerosta ja kokeilin niin kädellä heti tuntee sen läpi >100 C lämmitetyn uuninlevyn säteilyn lämmön. (Lasiastian läpi kuten kahvipannusta, ei, koska lasi ei läpäise matalaa-IR:ää). Halpa IR-säteilymittari osoitti että suuruusluokkaa ½ tulee läpi.

Lisäksi kiinnostaisi pohjaa varten materiaalin valinta, jolla olisi korkea emissiviteetti mutta alhainen absorbtiokerroin.

Kirchoffin laki (https://en.wikipedia.org/wiki/Kirchhoff%27s_law_of_thermal_radiation) estää sen että e olisi eri suuri kuin a kullekin samalle aallonpituudelle. (Muutoin saataisiin termollinen ikiliikkuja/ikilämmönlähde). Eri asia sitten jos puhutaan e:stä valolle ja a:sta lämmölle. Kirjoituspaperi on hyvää, heijastaa valon pois mutta imee/säteilee matala-IR:ää tehokkaasti eli on musta IR-alueella.

[Zalama]

Käytännön koe: Tupperware-astioita, suht valkoisia, löytyi komerosta ja kokeilin niin kädellä heti tuntee sen läpi >100 C lämmitetyn uuninlevyn säteilyn lämmön. (Lasiastian läpi kuten kahvipannusta, ei, koska lasi ei läpäise matalaa-IR:ää). Halpa IR-säteilymittari osoitti että suuruusluokkaa ½ tulee läpi.
Kirchoffin laki (https://en.wikipedia.org/wiki/Kirchhoff%27s_law_of_thermal_radiation) estää sen että e olisi eri suuri kuin a kullekin samalle aallonpituudelle. (Muutoin saataisiin termollinen ikiliikkuja/ikilämmönlähde). Eri asia sitten jos puhutaan e:stä valolle ja a:sta lämmölle. Kirjoituspaperi on hyvää, heijastaa valon pois mutta imee/säteilee matala-IR:ää tehokkaasti eli on musta IR-alueella.

Itseasiassa ei siitä ikiliikkujaa saisi. Kappale joka säteilee jäähtyy. Kappale kun jäähtyy se säteilee huomattavasti vähemmän (muuttuu lämpötilan neljänteen potenssiin).  Täysin suljettuun ja eristettyyn tyhjiössä olevaan "astiaan" kun laittaisi kaksi kappaletta ja vaikka niiden absorbtio ja emissiokertoimet eivät olisi lineaariset niin niiden lämpötila tasoittuisi samaksi johtuen juuri, että nettosäteily riippuu lämpötilaerosta. Siihen mihin se vaikuttaisi merkittävästi olisi niiden lämpötilan muutosnopeuteen eli jäähtymis/lämpenemis tehoon.  Joka tapauksessa hyvä huomio. Lämmönsiirrossa säteily lienee se mitä tullut koulujen jälkeen vähiten tarkasteltua.

Kirckhoffin laki koskee ideaalista mustaa kappaletta (black body) ja yksittäisiä taajuuksia eli ei päde todellisille kappaleilla vaikka monin paikoin toimii melko hyvin. Tuleva säteilyhän ei myöskään tule vain yhdellä taajuudella eikä myöskään säteile. Joka tapauksessa pinnan on hyvä olla juuri valkoinen (jos esimerkiksi paperi on sellainen) eli ainakin heijastaa näkyvän valon taajuudet hyvin, koska ei myöskään niillä taajuuksilla juuri säteile.

Toisaalta jos tämän laitteen jäähdytinpinnalla olisi heikko emissiokerroin (ja siten absorbtiokerroin) CO2 ja H2O:n taajuuksille niin se haittaisi mutta jos muilla IR taajuuksilla säteilisi melko hyvin. Niillä taajuuksilla ne myös absorboituisivat paljolti alailmakehässä, jolloin niiden laskennallinen ympäristönlämpötila olisi myös luokkaa (-15  - -50°), tuo -15° lienee stratopaussin lämpötila. Muut IR taajuudet taas läpäisevät paremmin alailmakehän. Tosin tuolla tavalla pinnan pitäisi olla hyvin selektiivinen ja vaatisi varmasti jotain erityistä high tech nanoteknologiaa, joten tärkeintä olisi joka tapauksessa välttää näkyvän valon absorbtiota. En tiedä onko tähän tarkoitukseen selektiivisiä pinnoitteita kehitetty, mutta toisinpäin on eli haluttu nimenomaan näkyvänvalon ja tärkeimpien IR taajuuksien absorbtiota korostaa, mutta muiden vähemmän tärkeiden taajuuksien emissiota (ja siten siis myös absorbtiota) välttää.

[hm]

Heti ensimmäisei rupesin miettimään, että onkohan ketään testannut eri muovien spektrien ominaisuuksia. Kiinnostavinta olisi ehkä valkoiset muovit jotka saattaisivat IR-taajuudella silti olla läpinäkyviä. Helpoimmin saattaisi vertailua pystyä tekemään lämpökameralla tasalämpöistä taustaa vasten (vierelle eri muovilaatuja).

Infrapunaa 3–12 mikronin aallonpituuksilla läpäisevät materiaalit ovat harrastaja-astronomin näkökulmasta harvinaisia ja hintavia. Yleisistä muovilaaduista parhaimmin läpäisevä on polypropyleeni, joskin silläkin on tuolla alueella vaimennuskaistoja.

Hannu Määttänen

[Zalama]

Infrapunaa 3–12 mikronin aallonpituuksilla läpäisevät materiaalit ovat harrastaja-astronomin näkökulmasta harvinaisia ja hintavia. Yleisistä muovilaaduista parhaimmin läpäisevä on polypropyleeni, joskin silläkin on tuolla alueella vaimennuskaistoja.

Hannu Määttänen

Itse lähinnä tarkoitin näitä perusmuoveja eli esimerkiksi polypropeenia joka on värjätty valkoiseksi. Ainakin sinkkioksidi ja titaanioksidi heijastavat näkyvää valoa ja nopean tarkastelun myötä ainakin titaanioksi päästäsi aika hyvin IR taajuuksia (varsinkin tuolla 3-12 mikronin alueella) läpi.

https://www.dropbox.com/s/gns3w37cs97l5rg/TitaniumIRTransmittance.png?dl=0

http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C13463677&Type=IR-SPEC&Index=0

Lisäyksenä tuo sinkkioksidi näyttää vielä paremmalta kuin titaanioksidi. Siinä absorbtiokertoimet ovat alle 0.05:n tuolla 1-15 mikronin alueella. Monella taajuudella luokkaa 0.01.

http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=B6004650&Units=SI&Mask=80#IR-Spec

Nämähän lienevät kaksi yleisintä valkoisen värin pigmenttiä. Yksi vaihtoehto olisi ruiskuttaa ohut kalvo polypropeenikalvon päälle.