Pasif Işınımlı Soğuma Teknolojileri Nelerdir? Uzayın Soğuğuyla Dünyayı Soğutmak Mümkün mü?

Dünya'nın iklim değişikliği ve küresel ısınma gibi sorunlarla karşı karşıya olduğu günümüzde, bilim insanları çeşitli inovatif çözümler aramaktadır. Bu bağlamda, uzayın soğuk ortamının gezegenimizin ısınmasını kontrol etmede etkili olabileceği düşünülmektedir. Bu inovatif fikirleri gerçeğe dönüştürmek isteyen araştırmacılar; çevresinden aldığı ısıyı uzaya gönderen plastik malzemeler, boyalar ve ahşap malzemeler geliştirmeye çalışmaktadır. Bu malzemeleri üretebilmenin yolu ise pasif ışınımlı soğuma (İng: "Passive radiative cooling") isimli bir teknolojiden yararlanmaktır. Bu makalede pasif ışınımlı soğuma teknolojileri, bu teknolojinin temel prensipleri ve farklı alanlardaki uygulamaları incelenecektir.

Pasif Işınımlı Soğuma Nedir?

Pasif ışınımlı soğuma, bir cismin kızılötesi radyasyon aracılığıyla ısı kaybetmesi prensibine dayanmaktadır. Bu temel prensip; malzeme seçimi, yüzey tasarımı ve atmosfer koşulları gibi faktörlere bağlı olarak optimize edilebilmektedir. Atmosferdeki gazlar, moleküler vibrasyon ve rotasyon gibi içsel enerji seviyelerine bağlı olarak belirli dalga boylarındaki elektromanyetik radyasyonu soğurmaktadır. Bu da belirli atmosferik katmanlarda enerji dağılımında farklılıklara yol açmaktadır. Ancak atmosferdeki gazların hiçbiri, dalga boyu 8-13 mikrometre olan ışık ışınlarını soğuramamaktadır. Bu dalga boyuna sahip ışınlar, ışıma yaptıklarında atmosferin içinden geçerek uzaya gidebilmektedir. Bu durum da sıcaklığın ortam sıcaklığının altına düşmesini sağlayarak pasif ışınımlı soğuma teknolojisinin çalışma prensibini oluşturmaktadır.^[1]

Sıradan malzemeler üzerinde pasif ışınımlı soğuma sadece geceleri gözlemlenebilmektedir. Bunun nedeni pasif ışınımlı soğumanın, genellikle atmosferin sadece belirli bölgelerindeki kızılötesi radyasyonun iletimine izin veren atmosferik pencere (elektromanyetik enerjinin atmosferden geçebildiği dalga boyu aralıkları) isimli özel dalga boylarında gerçekleşebilmesidir.

Gündüzleri, güneşten gelen yoğun kızılötesi radyasyon atmosferdeki gazlar tarafından absorbe edilerek atmosferden uzaya ışıma olması engellenmektedir. Ancak geceleri nesneler, çevrelerine absorbe edilmiş güneş ışığı olmaksızın kendi termal radyasyonlarını yayabilmektedirler. Böylelikle yayılan radyasyon, atmosferik pencereden serbest bir biçimde uzaya iletilebilmektedir. Bu durum, özellikle açık ve bulutsuz gecelerde atmosferin soğumasına katkıda bulunmaktadır.

Eokul Tv

Gündüz Vakti Pasif Işınımlı Soğuma Mümkün mü?

Gündüz ışınımlı soğuma sistemleri (PDRC) oluşturmak içinse Kirchhoff yasası temel alınmaktadır. Kirchhoff yasası, sıcaklığı 0 K'nin üzerinde olan malzemelerin sürekli elektromanyetik dalgaları emdiklerini ve yaydıklarını ortaya koymaktadır. Dünya bu yasaya dış uzaya ısı vererek uymaktadır, geceleri dünya üzerindeki sıcaklığın azalmasının sebeplerinden biri de budur.

Gündüz vakti pasif ışınımlı soğumanın gerçekleşmesi için bir yapının dış yüzeyleri, özel kaplamalar veya malzemelerle kaplanarak güneş ışığını yansıtacak şekilde tasarlanmaktadır. Üretilen kaplama, gündüz saatlerinde dahi soğutma sağlar. Bu durum kaplamanın emdiği ısı miktarının dış ortama yayılan enerjiden daha az olmasını sağlayarak pasif gündüz ışınımlı soğuma sistemlerinin temel çalışma prensibini meydana getirmektedir.^[2]

Bu bilgilerin ışığında araştırmacılar güneş ışığı altındayken de sıcaklığını, ortalama sıcaklığın altında tutabilen malzemeler üretmeyi başarmıştır. 2012 yılında Stanford Üniversitesinden Prof. Dr. Shanhui Fan danışmanlığındaki Aaswath P. Raman, güneş vakti pasif ışınımlı soğuma yapabilecek sistemler üzerine bir çalışmada bulunmuştur. Raman, öncelikle çalışmasında gündüz vakti pasif ışınımlı soğuma için kullanılacak malzemelerde bulunması gereken temel özellikleri belirlemiştir. Bunlardan ilki, malzemenin Güneş'ten gelen ve dalga boyu 200 ila 2500 nanometrelik ışığın %94'ten fazlasını yansıtmasıyken ikincisi ise dalga boyu 8-13 mikrometre olan ışık ışınlarını yüksek oranda soğurup yayabilme özelliğine sahip olmasıdır. Malzemenin yansıtıcılık değerinin, günümüzde kullanılan beyaz renkli boyalardan daha fazla olması gerekmektedir, ancak elimizde bulunan doğal kaynaklı hiçbir madde bu özellikleri taşımamaktadır. Böyle bir madde ancak nanometre ölçeğinde ve laboratuvar ortamında çalışılarak üretilebilmektedir.

Çalışmalarını sürdüren Raman ve Fan ilk makalelerinde soğutma gücünün 100 W/m² olacağını tasarladıkları bir örnek tasarım ortaya koymuşlardır. Ancak bu ideallerini hayata geçirememiş ve üretilmesi daha kolay başka bir malzeme üzerinde çalışmaya başlamışlardır. Bu çalışmaları sonuç vermiş ve 2014 yılında Nature'da gündüz pasif ışınımlı soğuma yapabilen bir sistemi geliştirdiklerini bilim kamuoyuna duyurmuşlardır.

Araştırmacıların ürettikleri malzeme, art arda sıralanmış HFO₂ ve SiO₂ katmanlarından oluşmaktadır. Yedi katmandan oluşan malzemenin dört katmanı daha inceyken üstteki üç katman daha kalın olarak tasarlanmıştır. İnce katmanlar Güneş'ten gelen ışınları geri yansıtırken kalın katmanlar atmosferin içinden geçebilen kızılötesi ışıma miktarını arttırmaktadır. Bu tekniğin, güneş ışığının %97'sini yansıtarak atmosferik pencereden güçlü ve seçici bir şekilde ısıyı dış uzaya iletebildiği tespit edilmiştir. Fotonik ışınımlı soğutucunun, güneşe maruz kaldığında ortam hava sıcaklığını 4,9 santigrat derece altına düşürebildiği ve metrekare başına 40,1 watt soğutma gücü sağlayabildiği belirtilmiştir. Geliştirilen malzeme açık havada metrekare başına 850 W güneş ışığı alan bir alana bırakıldığındaysa malzemenin sıcaklığının, ortalama sıcaklığın 5 santigrat derece altına düştüğü tespit edilmiştir. Bu noktada çalışmanın kayda değer bir mesafe kat ettiği ifade edilebilmektedir.^[3]

Science Direct

Cam-Polimer Bir Malzeme

2017 yılında Colorado Üniversitesinden Xiaobo Yin ve Ronggui Yang isimli araştırmacılar, yeni bir pasif ışınımlı soğuma materyali ürettiklerini bilim kamuoyuna Science dergisinden duyurmuştur. Cam küre bileşenli üretilen materyali öne çıkaran başlıca avantajlarından biri düşük maliyetli olmasıdır.

Malzemenin bileşenini meydana getiren cam küreler, özellikle elektromanyetik dalga tayflarında belirli bir frekansta rezonans göstererek nanoantenna olarak kullanılabilmektedirler. Bu malzeme, elektromanyetik dalgalarla etkileşimde bulunarak belirli dalga boylarında rezonans gösterme yeteneğine sahip olan mikrokürelerin polimer matris içinde dağınık bir biçimde yerleştirilmesiyle oluşturulan bir cam-polimer hibritidir. Malzemenin yüzeyi ince gümüş bir film ile kaplanmıştır, bu durum optik performansı daha da artırarak yansıtıcı görev görmektedir. Ayrıca üretiminde ışık geçirgenliği yüksek polimer matrisin kullanılması güneş ışınlarının rahatlıkla malzeme içinden geçip ince gümüş filimden yansıma yapabilmesine de imkân sağlamaktadır. 50 mikrometre kalınlığında olan malzemenin 72 saat boyunca aralıksız şekilde 110 W/m^-2'nin üzerinde radyoaktif soğutma yapabileceği ortaya konmuştur. Ayrıca yapılan testler sonucunda üretilen malzemenin Güneş ışığının %96'dan fazlasını yansıttığı ortaya konmuştur.^[4]

Bu malzemenin en önemli özelliklerinden bir diğeri ise endüstriyel üretime uygun olmasıdır. Özellikle havacılık, tarım ve enerji endüstrisinde kendisine kolaylıkla yer bulabilecek bir kapasiteye sahiptir. Cam-polimerin güneş panellerinin verimliliğini arttırıp ömrünü uzatacağı tahmin edilmektedir. Herhangi bir elektrik veya su girişine ihtiyaç duymadan çalışabilen bu malzeme, pasif ışınımlı soğuma teknolojilerinin gelişimi açısından sürdürülebilir bir gelişme olmuştur.^[5]

University of Coulorado Boulder

Süper Serin Ahşap

Ahşap yapı malzemeleri, tarih boyunca birçok kültürde yaygın olarak kullanılan ve günümüzde de kullanılmaya devam eden yapı malzemeleridir. Doğal bir malzeme olması, estetik çekiciliği, sürdürülebilir özellikleri ve işlenebilirliği; ahşabın birçok projede tercih edilmesine sebep olmaktadır.

İşte bu noktada, yaygın kullanılan bir yapı malzemesini sürdürülebilir bir yapı malzemesi haline dönüştürmek inovatif bir fikir olarak karşımıza çıkmaktadır. 2019'da Maryland Üniversitesinden Liangbing Hu ve Tian Li ile Colorado Üniversitesinden Xiaobo Yin ve Yao Zhai'den oluşan ortak bir ekibin yaptığı çalışmayla süper serin bir ahşap malzeme üretilmiştir.

Ahşap malzemeler de polimerlere benzer olarak atmosfer tarafından soğrulmayan dalga boylarında ışık yayarlar. Ahşap, özellikle kırmızı ve yakın kızılötesi ışık spektrumunda yüksek derecede geçirgen bir malzeme olma özelliği taşımaktadır. Ancak sıradan ahşap malzemelerin güneş ışığını yansıtma oranı düşüktür. Araştırmacılar bu soruna lignin isimli polimeri kimyasal işlemlerle ahşaptan ayırarak çözüm bulmuşlardır. Lignin, ahşapta bulunan temel bileşenlerden biridir ve ahşabın sertlik ve dayanıklılığını sağlayan önemli bir polimerdir.

Bu süreçte, ligninin çıkarılması beklenildiği üzere ahşabın rengini soluk hale getirmiştir. Daha sonraysa sıkıştırma işlemi ile ahşaba dayanıklılığı geri kazandırılmıştır. Elde edilen soluk renkli ahşap malzeme, su iticiliği özelliği kazanması için süper hidrofobik bir bileşik ile birlikte işlenmiştir. Bu bileşik, ahşabın su ile etkileşimini önleyerek dayanıklılığını artırmış ve çatılarda kullanılabilecek parlak beyaz bir yapı malzemesi haline getirmiştir. Üretilen yapı malzemesinin mekanik direncinin sıradan ahşaptan yaklaşık olarak 10 kat daha fazla olduğu görülmüştür. Üretilen ahşap, güneş ışığı altında doğal ahşaba oranla ortalama 12 derece daha soğuk kalmıştır. Süper serin ahşabın, 24 saat içindeki soğutma gücününse 53 W/m² olduğu hesaplanmıştır.^[6]

Sonuç olarak yenilikçi bir süreçle meydana getirilen ahşap malzeme, doğal ahşap estetiğini korurken su iticilik özelliği sayesinde çatılarda kullanılabilir ve ısıyı binanın içinden uzaklaştırmak için etkili bir yapı malzemesi olarak hizmet edebilir. Süper serin ahşap malzemeler kullanılarak sıcak iklimli bölgelerde inşa edilecek yapıların soğutma masraflarından %60'lık bir oranda tasarruf sağlanacağı da tahmin edilmektedir. Bu gelişme, inşaat sektöründe sürdürülebilir ve enerji verimli çözümlere yönelik bir adım olarak değerlendirebilmektedir.^[7]

University of Maryland

Süper Serin Boyalar

2018 yılında Columbia Üniversitesi'nden Prof. Dr. Yuan Yang danışmanlığında doktora yapan Jyotirmoy Mandal tarafından yapılan çalışmalarda polimer bazlı bir süper serin boya geliştirilmiştir. Polimer yapıdaki pek çok malzeme zaten pasif ışınımlı soğuma için gerekli olan 8-13 mikrometrelik ışığı yayabilmektedir. Aslında burada gerekli olan temel şey boyanın Güneş ışığını yüksek oranda yansıtmasının sağlanmasıdır. Bu sorunu aşabilmek içinse boyanın içerisinde baloncuklar oluşturulmuştur.

Malzemenin uygulama sürecinde polimer bazlı boya, aseton ve su ile karıştırılarak uygulanacak bölgeye püskürtülmektedir. Bir süre sonra uçucu bir madde olan asetonun ve su taneciklerinin boş baloncuklar bırakarak uygulanan bölgeden uzaklaşmasıyla birlikte geriye baloncuklu yapıya sahip beyaz renkli bir boya kalmaktadır. Bu baloncuklar, üretilen malzemenin sıradan beyaz boyalara oranla daha yüksek yansıtıcılığa sahip olmasını sağlamaktadır. Araştırmacılar, yaptıkları ölçümlerde boyanın soğutma gücünün 96 W/m² olduğunu hesaplamıştır. Çözelti bazlı boya; kolaylıkla plastik, metal ve ahşap yüzeylere uygulanabilmektedir. Bu durum da sektörde kullanımını ve yaygınlığını arttıracağının düşünülmesine sebep olmuştur.^[8]

Süper serin boyalar üzerine bir yeni gelişme de 2020 yılında yaşanmıştır. Purdue Üniversitesinden Prof. Dr. Xiulin Ruan ve ekibi, güneş ışığının %98'ini yansıtabilen ve dünya üzerindeki en beyaz boya olarak kabul edilen bir süper serin boya geliştirmiştir. Sıradan beyaz bir boyanın üzerine düşen güneş ışığının yaklaşık olarak %85'ini yansıttığı hesaba katılırsa yeni geliştirilen boyanın yansıtıcılığı daha rahat anlaşılabilmektedir. Geliştirilen boya, güneş ışınlarını dağıtarak yansıttığı için kör edici bir etkiye sahip değildir, hatta uzaktan bakıldığından sıradan bir beyaz boyadan ayırt edilebilmesi bile zordur. Süper serin boya kalsiyum karbonat (CaCO₃) parçacıklarından oluşan bir yapıya sahiptir.^[9]

Geleneksel beyaz boyalarda genellikle titanyum oksit (TiO₂) kullanılmaktadır. Bu bileşik, ultraviyole ve mor ışığı emmekte aynı zamanda da kızılötesi ışığı büyük ölçüde yansıtarak beyaz rengi sağlamaktadır. Titanyum oksitin UV absorbsiyonu özelliği, güneş koruyucularda yaygın bir şekilde kullanılmasına neden olmaktadır. Ancak, bu özellik aynı zamanda güneş ışığı altında ısınmaya da neden olabilmektedir. Bu sebeple de süper serin boyalar için gerekli koşulları sağlayamamaktadır.^[10]

Araştırmacılar, süper serin boyalarda titanyum oksit yerine güneş ışınlarını yüksek oranda yansıtabilen bir bileşik aramışlardır. Yapılan araştırmalarsa bu bileşiğin baryum sülfat (BaSO₄) olduğunu göstermiştir. Yeni üretilen boya, yüksek miktarda baryum sülfat konsantrasyonuna sahip olacak şekilde geliştirilmiştir. Baryum sülfat, beklenildiği gibi boyanın yansıtıcılığını çok ciddi bir oranda arttırmıştır, ancak bileşen içerisine çok fazla baryum sülfat eklenmesinin de kırılganlığı arttırdığı görülmüştür.^[11]

Sonuç olarak baryum sülfat bileşenli süper serin boyalar; enerji verimliliği, çevresel sürdürülebilirlik ve dayanıklılık gibi birçok avantajı bir araya getirerek yenilenebilir teknolojiler adına önemli bir gelişme sağlamaktadır. Ayrıca baryum sülfat bileşiğinin doğaya verebileceği olası zararlar da yeni üretilen süper serin boyalar üzerinde yapılan tartışmalardandır.^[12]

University of Purdue

Sonuç

Pasif ışınımlı soğuma ve yenilikçi malzemeler; endüstriyel sektörde çevresel etkileri minimize etme, enerji verimliliğini artırma ve ekonomik açıdan sürdürülebilir çözümler sunma potansiyeli taşımaktadır. Geleneksel soğutma sistemlerinin aksine, süper serin soğutma sistemleri hiçbir enerji kaynağına ihtiyaç duymadan kendi sıcaklıklarını ortam sıcaklığının altında tutmayı başarabilmektedir. Öte yandan pasif ışınımlı soğuma ve yenilikçi malzemeler doğal ışınları ve hava akımlarını kullanarak enerji alımını optimize etmektedir; bu da doğal kaynakların korunması açısından önem arz etmektedir. Bu nedenle, bu teknolojilere daha fazla yatırım yapmak ve bu malzemelerin endüstriyel uygulamalarını yaygınlaştırmak, çevresel sürdürülebilirliği teşvik etmek adına kritik bir öneme sahiptir.