Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 43 (vyšlo 31. října, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Ve vesmíru je zima zadarmo

Dana a Rudolf Mentzlovi

Fyzika rozděluje přenos tepla do tří zvláštních kategorií. Ohřívat či ochlazovat můžeme vedením, konvekcí nebo vyzařováním a pohlcováním. Na těchto třech základních principech stojí všechna technická řešení chladniček od starořeckých vinných amfor až po laserové ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. vyvinuté před několika málo desetiletími. Ať je již použita ta či ona metoda, jedno mají společné. Vždy je třeba využít tepelný spád. Při aktivním ochlazování spád vytváříme uměle (kompresor chladničky stlačí a následně ohřeje pracovní médium), pasivní režim vyžaduje chladnější entitu, do které teplo samo teče. Má-li to být hmotné médium, nemusí být vždy po ruce. Pokud vsadíme na přenos tepla vyzařováním, je na dosah okolní vesmír. Mluvit o teplotě kosmického prostoruReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí). je sice ošidné, ale pro všechny praktické účely ji můžeme považovat za absolutní nuluTeplota absolutní – míra neuspořádaného pohybu v látce. Stav látky s absolutní nulou znamená stav s minimálním množstvím pohybu, které umožní zákony kvantové teorie (s minimální entropií). Absolutní nuly nelze dosáhnout konečným počtem procesů, lze se jí ale libovolně přiblížit. Absolutní teplota se měří v kelvinech. Jeden stupeň kelvina je roven jednomu stupni Celsia. Kelvinova stupnice má jiný počátek než Celsiova stupnice, 0 K = −273,15 °C.. Využít tohoto fenoménu se pokoušejí týmy vědců, například z Coloradské a Stanfordovy univerzity.

Yakhchāl

Tato stavba se nachází v Íránu a nazývá se yakhchāl. Starým Peršanům sloužil k ucho­vá­vání potravin a ledu. Led se vyráběl venku v bazénku. Voda vystavená mra­zi­vému vesmíru vyzářila své teplo a změnila se v led. Ten se pak skladoval uvnitř budovy. Zdroj: Wikipedie CC BY-SA 3.0.

Černé těleso – idealizované těleso, které absorbuje veškeré záření na něho dopadající. Těleso je v termodynamické rovnováze, takže je nakonec veškerá absorbovaná energie opět vyzářena, ale pouze povrchem. Střední volná dráha fotonů je natolik malá ve srovnání s rozměry tělesa, že foton z vnitřku tělesa nemůže uniknout. Na vyzařování se podílejí jen fotony v těsném okolí povrchu. Černé těleso vyzařuje spojité spektrum záření (záření černého tělesa). Maximum vyzařování je na vlnové délce, která souvisí s teplotou povrchu. Čím vyšší je teplota, tím těleso vyzařuje na kratších vlnových délkách.

Nanofotonika – vědní obor na rozhraní nanotechnologie a optiky. Studuje struktury na nanometrových škálách a jejich interakce se světlem.

Foton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926.

Fonon – kvazičástice vibrací krystalové mříže, vibrační kvantum šířící se krystalovou mříží. Pomocí fononů lze popisovat šíření zvukových vln v pevných látkách. Samotný název fonon vznikl jako analogie k fotonu. Foton je částicí elektromagnetického pole, fonon je kvazičásticí netlumeného zvukového pole v pevné látce.

Zatímco je princip přenosu tepla pomocí hmotných médií většinou chápán bez nesnází, při přenosu zářením (radiací) chybí každodenní zkušenost a intuitivní představy bývají podhodnocené nebo selhávají zcela. Tepelné záření jsme ochotni připustit, pokud se vystavíme slunečním paprskům, případně při úpravě masa na elektrickém grilu. Úvahy o vyzařování při pokojových teplotách však budí nedůvěru.

Je to tím, že intenzita vyzařování se mění se čtvrtou mocninou termodynamické teplotyTeplota absolutní – míra neuspořádaného pohybu v látce. Stav látky s absolutní nulou znamená stav s minimálním množstvím pohybu, které umožní zákony kvantové teorie (s minimální entropií). Absolutní nuly nelze dosáhnout konečným počtem procesů, lze se jí ale libovolně přiblížit. Absolutní teplota se měří v kelvinech. Jeden stupeň kelvina je roven jednomu stupni Celsia. Kelvinova stupnice má jiný počátek než Celsiova stupnice, 0 K = −273,15 °C.. Tepelné vyzařování při teplotách kolem pouhých tří set kelvinůKelvin – 1/273,16 část termodynamické teploty trojného bodu vody. (cca 30 °C) je tedy opravdu malé, nikoli však zanedbatelné. Těleso zahřáté na tuto teplotu vyzařuje každým svým metrem čtverečním bezmála 400 J za sekundu. To už je výkon, který evokuje otázku, proč jsou lednice tak složitá zařízení. Odpověď se skrývá v prvním odstavci článku. Těleso záření nejenom emituje, ale také absorbuje. Pokud je okolí zahřáté na stejnou teplotu, je systém v rovnováze. Aby došlo k ochlazení, je zapotřebí natočit zářič směrem, odkud přichází méně energie. Nabízí se kosmický prostor.

Tento efekt známe z hodin zeměpisu, kde se učíme o velkých výkyvech teploty na pouštích. Zatímco přes den se písek rozpaluje na desítky stupňů celsia, v noci klesá teplota až k bodu mrazu. Tak rychlé ochlazení by nebylo možné, kdyby se naakumulovaná energie nemohla vytratit zářením.

Černé těleso a naše atmosféra

Pro popis vyzařování tělesa zahřátého na určitou teplotu byla již před více než sto lety vymyšlena abstrakce s názvem absolutně černé tělesoČerné těleso – idealizované těleso, které absorbuje veškeré záření na něho dopadající. Těleso je v termodynamické rovnováze, takže je nakonec veškerá absorbovaná energie opět vyzářena, ale pouze povrchem. Střední volná dráha fotonů je natolik malá ve srovnání s rozměry tělesa, že foton z vnitřku tělesa nemůže uniknout. Na vyzařování se podílejí jen fotony v těsném okolí povrchu. Černé těleso vyzařuje spojité spektrum záření (záření černého tělesa). Maximum vyzařování je na vlnové délce, která souvisí s teplotou povrchu. Čím vyšší je teplota, tím těleso vyzařuje na kratších vlnových délkách.. Je to těleso, které pohlcuje veškeré elektromagnetické záření. Proto tedy černé. To však neznamená, že by nemohlo samo elektromagnetické záření generovat. Například SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. se chová jako absolutně černé těleso rozpálené na teplotu asi 5 500 °C. Obrovské masy plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. pohltí veškeré dopadající záření – v tomto ohledu je to těleso opravdu černé. Na druhou stranu je samo intenzivním zdrojem záření, který nelze přehlédnout. Maximum vyzařování spadá při této teplotě do viditelné oblasti světla. Velkou část tohoto záření ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičićovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. pohltí a zde se přemění na teplo.

V oblastech, kde je žádoucí ochlazovat obydlí, pokud možno s malými náklady na investice, provoz a údržbu, se zemský povrch chová jako absolutně černé těleso zahřáté na přibližně 30°C. V praxi se střechy domů natírají reflexními nátěry, což je zatím nejúčinnější způsob, jak se pasivně chránit před přehřátím. Je však zřejmé, že tímto způsobem nelze dosáhnout teplot nižších, než je teplota okolí. To by bylo možné jedině černým zářičem namířeným do kosmického prostoru. Řešení sice snadno pochopitelné, ale ne vždy technicky realizovatelné. Černý zářič bude zároveň absorbovat sluneční záření a celková tepelná bilance bude kladná. Zastínit zářič před Sluncem a nechat mu přitom volný výhled do vesmíru je myšlenka stejně osvěžující, jako obtížně realizovatelná.

Důležité je, že se vyzařovací křivkaPlanckův vyzařovací zákon – závislost intenzity vyzařování absolutně černého tělesa na vlnové délce či frekvenci. Zákon odvodil Max Planck v roce 1900 za předpokladu, že vyzařovaná energie není spojitá, ale mění se po kvantech. Planckův vyzařovací zákon stál u zrodu kvantové teorie. Slunce (většina energie se nachází v rozmezí 0,3÷2,5 μm) významně nepřekrývá s vyzařovací křivkou zemského povrchu (2,5÷50 μm). Je tedy alespoň teoreticky možné vyvinout povrch, který sluneční paprsky odráží a tepelnéInfračervené záření – elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 0,75 μm do 400 μm. Infračervené záření objevil v roce 1800 William Herschel při rozkladu slunečního světla hranolem. Zjistil, že za červenou barvou existuje další záření, které zahřeje teploměr. IR záření využíváme v infrazářičích, v infralampách, při infraterapii, v dálkových ovladačích, v termovizi, v čidlech na zloděje, v dálkových teploměrech a při dálkovém průzkumu Země. V astronomii se využívá IR záření k výzkumu meziplanetární hmoty, planetárních atmosfér, plynu a prachu v galaxiích, hnědých trpaslíků, červených veleobrů, exoplanet, protoplanetárních disků a mlhovin. IR záření prochází zemskou atmosférou jen částečně, v tzv.oknech. vyzařuje.

Koncepce kosmické chladničky je jasná, nicméně jeden důležitý detail jsme dosud opomíjeli. Neuvažovali jsme vliv naší atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru.. Zatím co pro viditelné světlo je dobře průhledná, tepelné záření propouští jen v některých pásmech. V pásmech, která jsou pro infračervené zářeníInfračervené záření – elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 0,75 μm do 400 μm. Infračervené záření objevil v roce 1800 William Herschel při rozkladu slunečního světla hranolem. Zjistil, že za červenou barvou existuje další záření, které zahřeje teploměr. IR záření využíváme v infrazářičích, v infralampách, při infraterapii, v dálkových ovladačích, v termovizi, v čidlech na zloděje, v dálkových teploměrech a při dálkovém průzkumu Země. V astronomii se využívá IR záření k výzkumu meziplanetární hmoty, planetárních atmosfér, plynu a prachu v galaxiích, hnědých trpaslíků, červených veleobrů, exoplanet, protoplanetárních disků a mlhovin. IR záření prochází zemskou atmosférou jen částečně, v tzv.oknech. neprůhledná, zároveň atmosféra sama vyzařuje, což jinými slovy znamená, že je schopna zpětně ohřívat zářič a celý zemský povrch. Je to jev známý pod poetickým názvem skleníkový efekt.

Neprůhlednost atmosféry pro tepelné paprsky jde na vrub především vodní páře, která má od vlnové délky 0,7 μm jen několik málo oken a od 20 μm je pro tepelné paprsky prakticky souvisle neprůhledná. S výjimkou suchých oblastí pouští je i dominantní, co se týče množství. Zanedbat nemůžeme ani vliv oxiduOxid – dříve označovaný jako kysličník, je sloučenina kyslíku s méně elektronegativními prvky. Oxidy vznikají oxidací (hořením) za přítomnosti kyslíku ze vzduchu nebo jiných přítomných chemických látek. uhličitého, jehož dva ze tří velkých peaků se téměř kryjí se dvěma okny vodní páry. Z ostatních plynů má spíše jen okrajový význam ozón s úzkým pásem absorbtivity na 9,6 μm. Vlivem všech složek atmosféry pak lze reálně počítat s jediným atmosférickým oknem mezi 8÷13μm.

Atmosférická okna

Atmosférická okna v oblasti infračerveného záření. Nejvíce záření pohlcuje vodní
pára a oxid uhličitý. Zdroj: Dongliang Zhao/Appl. Phys. Rev.

Pro problematiku kosmického chlazení je příjemným faktem, že tyto vlnové délky zvláštní náhodou odpovídají maximu vyzařované intenzity tělesa zahřátého na 30 °C a ochlazování je tedy relativně účinné. V uvedeném radiačním okně se dá za dobrých podmínek počítat s chladicím výkonem přibližně 140 W·m−2. Pokud je dostatečně suchý vzduch, otevírá se ještě jedno okno mezi 16÷25 μm. To je však tak daleko od vyzařovacího maxima, že toto okno dokáže uchladit nejvýše 10÷20 W·m−2. Zvláštní kapitola jsou mraky. Ty jsou neprůhledné v celém uvažovaném spektrálním pásu, a tak záleží na jejich aktuální teplotě, jsou-li schopny záření absorbovat, nebo naopak vlastní radiací zemský povrch ještě ohřívat.

Již z prvního náhledu je zřejmé, že při nočním chlazení dosáhne nejvyššího chladicího výkonu širokopásmový zářič. Zároveň je však jasné, že tudy cesta nevede, pokud chceme ochlazovat na teploty nižší, než má okolí. Toho je schopen až úzkopásmový zářič vyzařující na vlnových délkách atmosférického okna. Ten má však z principu malý výkon, takže ochlazování trvá delší dobu. Z toho plyne i další slabina – je zapotřebí důkladné tepelné izolace od okolí. Menší problém je izolace od spodu. Stačí vybrat ze široké nabídky izolačních materiálů. Izolace vlastního zářiče musí splňovat několik kritérií. Kromě samozřejmých tepelně-izolačních vlastností musí být materiál dokonale transparentní na příslušné vyzařovací frekvenci. Jako samozřejmost berme trvanlivost a mechanickou odolnost. To vše se musí vejít do rozumného finančního limitu. Ne vždy je snadné vyhovět všem požadavkům. Jako dobrý kompromis například uveďme polyetylenovou fólii. Je laciná, dobře průhledná a do jisté míry i odrazivá pro sluneční záření. Bohužel doporučovaná tloušťka 30 μm je sama o sobě dost výmluvná při posuzování mechanických vlastností. Náhrada dobře propustným selenidem zinkuZinek – měkký lehce tavitelný kov, používaný člověkem již od starověku. Slouží jako součást různých slitin, používá se při výrobě barviv a jeho přítomnost v potravě je nezbytná pro správný vývoj organizmu. je zase neúměrně dražší.

Materiály pro selektivní vyzařování jsou předmětem intenzivního zkoumání. Velkou komplikací je eliminace slunečního záření. Proto se bojuje na dvou frontách. Vyvíjejí se materiály pro noční a denní chlazení.

Noční chlazení

Jako první krok v řešení radiačního chlazení je nalézt vhodný selektivně vyzařující materiál. Tyto pokusy začaly již v šedesátých letech a přinesly první slibné úspěchy. Neřešily však problémy spojené s přehříváním materiálu Sluncem, a tak byly vhodné jen pro použití v noci. To je asi hlavní důvod, proč práce upadly v zapomnění. Většinou je třeba ochlazovat obydlí přes den, nicméně některé zajímavé hračky stojí za zkoumání i dnes.

  • Polymery – vrstva polymeru nanesená na hliníkovou podložku. Polymer může být např. PVC, PVF (polyvinylfluorid) a další. Experimentuje se s obohacováním polymerů nanočásticemi. Například PE fólie (za běžných podmínek průhledná) po doplnění nanočásticemi SiC rezonujícími s fononyFonon – kvazičástice vibrací krystalové mříže, vibrační kvantum šířící se krystalovou mříží. Pomocí fononů lze popisovat šíření zvukových vln v pevných látkách. Samotný název fonon vznikl jako analogie k fotonu. Foton je částicí elektromagnetického pole, fonon je kvazičásticí netlumeného zvukového pole v pevné látce. absorbuje/vyzařuje v požadovaném atmosférickém okně.
  • Anorganické fólie – SiO, Si3N4, SiOx Ny nanesené na hliníkové desce. Fólie z MgO silná 1,1 mm se dokázala za jasné suché noci ochladit proti okolí o 20 °C.
  • Infračerveně vyzařující plyn – musí být uzavřený v průhledném kontejneru. Toto řešení má konstrukční výhodu – není třeba další médium do výměníku tepla. Plynné uhlovodíky s dvojnou vazbou mezi uhlíky absorbují/vyzařují infračervené světlo mezi 10÷12,5 μm. Pro noční chlazení pod teplotu prostředí jsou vhodné plyny jako NH3, C2H4 nebo C2H4O ve vrstvě o tloušťce několika centimetrů.

Denní chlazení

Nalézt vhodný materiál s úzkopásmovým vyzařováním pro noční ochlazování není snadný úkol. Přidáme-li požadavek odrážení denních slunečních paprsků spalujících zemský povrch plošným výkonem 1,4 kW·m−2Solární konstanta – množství sluneční energie dopadající kolmo na 1 m2 povrchu za sekundu mimo atmosféru Země. Hodnota sluneční konstanty je 1,4 kW/m2. Jde o malou část celkového slunečního výkonu, který je 4×1026 W., leží před námi výzva hodná vědeckého kolektivu. Přitom víme, že řešení existuje. Vysokou odrazivost a infračervené vyzařování řešila již před námi evoluce a dosáhla pozoruhodných výsledků. Stříbrní saharští mravenci (Cataglyphis bombycina) raději volí žár pouště, než jistou smrt na lepkavém jazyku dravých ještěrek. Proto vylézají na povrch teprve při teplotách nad 47 °C, kterou ještěrky již nevydrží. Až do teploty 53 °C se pak mohou v klidu věnovat sběru všelikých uhynulých tvorečků. Zvládat vysoké teploty jim pomáhá mnoho evolučních vylepšení. Jedním z nich je i vysoká odrazivost slunečního světla (pro svůj lesk a rychlý pohyb bývají připodobňováni ke kapkám rtuti) a emisivita infračervených paprsků, která jejich těla ochladí o 5÷10 °C. Podobnou ochranu před žárem mají i kukly bource morušového nebo křídla motýla Bistonia biston.

Stříbrný mravenec Chloupky stříbrného mravence

Tělo stříbrných mravenců je pokryto dutými chloupky trojúhelníkového průřezu. Kro­mě výbor­ných tepelně-izolačních vlastností vynikají chloupky vysokou odrazivostí viditelných paprsků (0,4÷1,7 μm) a emisivitou v infračerveném oboru (2,5÷16 μm). Zdroj: Norman Nan Shi, Nanfang Yu, Columbia Engineering.

Cesta k vývoji potřebných materiálů vede přes mikroskopické struktury. Jako nadějné se již tradičně považují struktury čtyřvazných prvků, jako jsou křemíkKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824).uhlíkUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších.. S nanofotonickou strukturou SiC na stříbrnémStříbro – Argentum, ušlechtilý kov bílé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se nejlepší elektrickou a tepelnou vodivostí ze všech známých kovů. Slouží jako součást různých slitin pro použití v elektronickém průmyslu, výrobě CD i DVD nosičů a šperkařství, jeho sloučeniny jsou nezbytné pro fotografický průmysl. substrátu bylo dosaženo čistého chladicího výkonu 100 W·m−2. Jiné struktury, založené na střídajících se vrstvách SiO2 a HfO2 dokázaly na přímém slunci (s výkonem 850 W·m−2) dosáhnout chladicího výkonu 40 W.m-2. Další nanofotonickéNanofotonika – vědní obor na rozhraní nanotechnologie a optiky. Studuje struktury na nanometrových škálách a jejich interakce se světlem. struktury mají na sobě malé kuželíky nebo sloupky ze střídajících se vrstev hliníku, germania a jiných látek. Spolu s vrstvou odrážející sluneční paprsky dosáhnou chladicího výkonu 116,6 W·m−2.

Seznam uvedených materiálů a struktur nutí k zamyšlení nad cenou takto ošetřených ploch o velikostech v řádech desítek metrů čtverečních. V tomto ohledu došlo v roce 2017 k průlomu. Zhai se svými týmem oznámili výrobu polymeru PMP (polymethylpenten) s rozptýlenými mikrokuličkami SiO2 na 200 nm stříbrné fólii. Mikrokuličky díky svým jedinečným rozměrovým a hmotnostním parametrům umožňují materiálu velice dobře vyzařovat v celém atmosférickém okně. Na plném slunci poskytuje chladicí výkon 93 W·m−2 a lze ho vyrábět v celých rolích. Tento úspěch odstartoval závody v hledání podobných materiálů. Již následujícího roku uviděl přímé sluneční světlo porézní nátěr s bublinkami rozptylujícími světlo, který snižuje teplotu asi o 6 °C pod teplotu prostředí.

Kudy dál?

Jakkoli vypadají dosažené úspěchy nadějně, zdaleka není ještě vyhráno. Nyní je třeba se soustředit na stabilitu. Odrazivé kovové vrstvy mají tendenci oxidovat. Mandal ukázal, že místo kovu lze jako reflexní elementy využít mikropóry a nanopóry v polymerech, které dokážou světlo účinně odrážet a rozptylovat. Na druhou stranu mají polymery jinou slabinu. Velice dobře víme, jak devastující účinky na ně má ultrafialové záření.

Uvedené nedostatky sice vypadají jako technický detail, ale dokud nebude úspěšně vyřešen, nelze počítat s masovým natíráním obydlí chladicími polymerovými nátěry. Jsou však jiné oblasti, kde by se nové materiály daly využít. Uvažuje se například o aplikaci ve fotovoltaických elektrárnáchFotovoltaický článek – polovodičová součástka schopná přeměňovat za pomoci tzv. fotovoltaického jevu světelnou energii na elektrickou. Z fotovoltaických článků se například konstruují panely slunečních baterií na kosmických družicích a sondách.. Je známo, že účinnost článků klesá s teplotou. Pasivní chlazení (a stačilo by i jen na teplotu okolního prostředí) by mohlo zvýšit jejich výkon.

Je však ještě jedno odvětví, kde by vidina i malého teplotního zisku otevírala peněženky zákazníků. Módní a oděvní průmysl. Je jen málo komodit, za které jsou lidé ochotni vyhazovat peníze tak ochotně, jako za módu. U oděvů navržených z takových materiálů by nevadilo, že po jedné dvou sezónách degradují. Do té doby by se staraly o tepelnou pohodu svého nositele. Při teplotě lidského těla by bylo chlazení účinné i v krajích, kde teploty vzduchu zdaleka nedosahují pouštních hodnot. A tak by marnivost zase jednou mohla posloužit vědě a pomoci zafinancovat výzkum hledaných materiálů.

Odkazy

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage