Soğutma-Klima-Süper Serin Malzemeler ile Soğutmada Verimliği Yakalama:

 

1--Gündüz vakti pasif ışınımsal soğuma üzerine çalışmalar yapmaya başlayan ilk araştırma grubu Stan- ford Üniversitesinden oldu. 2012 yılında, o sıralar Prof. Dr. Shanhui Fan’ın danışmanlığında doktora çalışmalarına devam eden Aasvvath Raman, güneş ışığı altındayken bile sıcaklığını ortam sıcaklığının altında tutmayı başarabilen malzemeler üretmenin mümkün olup olmadığı üzerine kafa yormaya başladı. Raman, ilk olarak böyle bir malzeme¬nin sahip olması gereken özellikler üzerine kuramsal tahminler yaptı.

 

1.1--Sonuçlar, gündüz vakti pasif ışınım- sal soğumayı gerçeğe dönüştürebilecek bir malzemenin sahip olması gereken iki temel özelliğin şunlar olduğunu gösteriyordu:      Birincisi, malzemenin güneşten gelen ve dalga boyu 200 ila 2500 nanometre olan ışığın %94’ünden fazlasını yansıtması gerekiyordu ki bu malzemenin yansıtıcılığının beyaz boyalarınkinden bile daha yüksek olması gerektiği anlamına geliyordu. İkincisi, malzemenin dalgaboyu 8 ila 13 mikrometre olan ışık ışınlarını yüksek oranda soğurabilmesi ve yayabilmesi gerekiyordu. Sıradan hiçbir malzeme bu özelliklere sahip değildir.

 

1.2--Ancak araştırmacılar nano- metre ölçeğinde mühendislik yaparak bu özelliklere sahip malzemelerin üretilebileceğini düşündüler.Raman ve Fan'ın 2013 yılında yayımladıkları ilk makalelerinde kuramsal hesapların yanı sıra soğutma gücü 100 W/m2 olacağını tahmin ettikleri bir tasarım örneği de vardı.

 

1.3--Ancak araştırmacılar bu tasarımı gerçeğe dönüştürmediler ve yine kendi tasarladıkları üretilmesi çok daha kolay başka bir malzeme üzerine çalışmaya başladılar. Bir yıl sonra yayımladıkları ikinci makalelerinde gündüz vakti pasif ışınımsal soğumayı gerçeğe dönüştürdüklerini açıkladılar.

 

1.4--Kırılma indisi yüksek ve düşük malzemeleri art arda sıralayarak bir malzemenin optik özelliklerinin ayarlanabileceği bilinir. Araştırmacıların ürettikleri malzeme de art arda sıralanmış, Hf02 ve Si02 katmanlarından oluşuyordu. Toplamda yedi adet olan katmanların alttaki dört tanesi daha ince üstteki üç tanesi ise daha kalın olarak tasarlanmıştı.

 

1.4.1--Alttaki ince katmanlar Güneş'ten gelen ışınları azami derecede geri yansıtıyor, üstteki daha kalın katmanlarsa atmosfer içinden geçebilen dalga boylarındaki kızılötesi ışıma miktarını artırıyordu.

 

1.4.1.1--Araştırmacılar, geliştirdikleri malzemeyi açık havada, metrekareye 850 W güneş ışığı düşen bir zamanda (güneşli bir günde, deniz seviyesinde metrekareye ortalama 1000 W güneş ışığı düşer) test ettiklerinde malzemenin sıcaklığının ortam sıcaklığının yaklaşık 5°C altına düştüğünü tespit ettiler.

 

1.4.2--Malzeme üzerine düşen Güneş ışığının %97'sini yansıtmayı başarıyordu ve soğutma gücü yaklaşık 40 W/m2'ydi.Yin ve Yang tarafından geliştirilen metamalzemenin en önemli özelliği endüstriyel ölçekte üretime uygun olması. Öyle ki, araştırmacılar yaptık¬ları çalışmalar sırasında laboratuvar ortamında her dakika 50 mikrometre kalınlığında, 30 santimetre eninde ve 5 metre uzunluğunda metamalzeme üretilebiliyorlardı.

 

2--Columbia Üniversitesinde Prof. Dr.Yuan Yang'ın danışmanlığında dok¬tora çalışmalarına devam eden Jyotirmoy Mandal polimer bazlı bir süper- serin boya geliştirdi. Pek çok polimer zaten yüksek oranda 8-13 mikrometre dalga boylu ışık yayar. Dolayısıyla polimer bazlı bir süper-serin boya geliştirmek için araştırmacıların aşması gereken temel zorluk, boyanın güneş ışığını çok yüksek oranda yansıtmasının nasıl sağlanacağıydı.

 

2.1--Araştırmacıların bulduğu çözüm boyanın içinde baloncuklar oluşturmak oldu. Geliştirilen süper-serin boyanın üretim ve uygulanma süreci özetle şu şekilde ilerliyor: Polimer bazlı boya aseton ve az miktarda su ile karıştırılıyor ve elde edilen karışım püskürtülerek boyanacak yüzeye uygulanıyor.

 

2.2--Bir süre sonra uçucu aseton buharlaşarak ortamdan uzaklaşıyor ve su ile polimer birbirinden ayrışmaya başlıyor. Ortaya çıkan su damlacıkları da bir süre sonra artlarında boş baloncuklar bırakarak buharlaşıyor. Süreç tamamlandığında başlangıçtaki renksiz karışımdan geriye içi baloncuklarla dolu beyaz renkli bir boya kalıyor.

 

2.3-- Ortaya çıkan baloncuklar, metamalzemenin güneş ışığını sıradan beyaz boyalardan daha etkin bir biçimde yansıtmasını sağlıyor. Böyle- ce kendi sıcaklığını ortam sıcaklığının altında tutmayı başarabilen bir boyalı yüzey ortaya çıkıyor.

 

2.3.1--Araştırmacılar geliştirdikleri boyayı güneşli bir günde açık havada test ettiklerinde boyanın sıcaklığının ortam sıcaklığının 6°C altında kaldığını ve boyanın soğutma ferle plastik, metal ve ahşap yüzeylere gücünün yaklaşık 96 W/m2 olduğunu kolaylıkla uygulanabiliyor.

 

 

4--Süper-serin malzemelerin kullanım alanı sadece soğutma sistemleriyle sınırlı değil. Örneğin Ming Zhou ve arkadaşları, havadan su elde etmek için kullanılan bir cihazda süper- serin malzemeler kullanarak verimi artırmayı başardılar.

 

4.1--Süper-serin malzemenin sıcaklığının ortam sıcaklığından düşük olması, sıradan malzemelere kıyasla, üzerlerinde daha çok suyun yoğunlaşmasına sebep oluyor.

 

4.2--Bir makalede geliştirdikleri metamalzemeden ürettikleri panelleri bir binanın çatısında konumlandırarak binanın soğutma giderlerini %21 oranında azaltmayı başardıklarını açıklamışlardı.

 

4.2.1--Araştırmacılar, SkyCool isimli bir şirket kurup geliştirdikleri ürünü piyasaya sürmeye başladılar. Gan, geliştirdiği süper- serin filmleri endüstriyel ölçekte üretip pazarlamak için çeşitli sanayi kuruluşlarıyla iş birliği yapıyor.

 

4.2.2--Columbia Üniversitesi araştırmacıları geliştirdikleri süper-serin boyanın patentini MetaRE isimli bir şirkete verdiler. MetaRe sadece evlerin çatıları için değil tekstil ürünleri, soğuk taşıma ve depolama için de süper-serin boyalar geliştirmeye çalışıyor.

 

4.2.3--Yin ve Yang içi cam küreler dolu süper-serin plastiği üretmek için Radi-Cool isimli bir şirket kurdular.

 

4.2.4--Geçen yıl yayımladıkları bir makalede, su soğutucu sistemlerde kullanılması durumunda geliştirdikleri plastiğin yaz aylarındaki elektrik tüketimini %32-45 oranında düşüreceğini yazdılar.

 

4.3--Süper-serin malzemelere daha çok Orta Doğu gibi sıcak ve kuru iklimlere sahip, soğutma giderlerinin yüksek olduğu bölgelerden talep olacağı öngörülüyor

 

5--Süper-serin metamalzemelerin soğutma kapasitesini artırmak için yapılmış bir başka çalışmaya da MIT’den Evelyn wang ve arkadaşları imza attı. Araştırmacılar geçen yıl ekim ayında yayımladıkları bir makalede pasif ışınımsal soğuma gösteren bir filmi yalıtıcı bir aerojelle kaplayarak meta- malzemenin soğutma kapasitesini artırdıklarını açıkladılar.

 

5.1--Araştırmacılar Şili’deki Atacama Çölü'nde yaptıkları deneyler sırasında üzeri aerojelle kaplı metamalzemenin sıcaklığının ortam sıcaklığının 13°C altına düştüğünü gözlemledi. Aerojel olmadığı durumdaysa soğuma sadece 1,7°C ile sınırlı kalıyordu. Bugüne kadar geliştirilmiş herhangi bir süper-serin malzemeyi bu aerojelle kaplayarak malzemenin soğutma kapasitesini artırmak mümkün.

 

6--Süper-serin boyalar ile ilgili bir gelişme de geçtiğimiz temmuz ayında yaşandı. Jyotirmoy Mandal ve arkadaşları üzerine düşen güneş ışığının %98’ini geri yansıtan beyaz boyalar geliştirdiklerini açıkladılar. Sıradan bir beyaz boya, üzerine düşen güneş ışığının %85’ini geri yansıtır. Ancak bu oran pasif ışınımsal soğumanın gözlemlenmesi için yeterli değildir.

 

6.1--Araştırmacılar yansıtma oranını artırmak için beyaz boyaların mor ötesi ışığı soğurma oranını azaltma yoluna gitmişler. Bu amaçla, beyaz boyalarda bulunan ve mor ötesi ışığı yüksek oranda soğurdu- ğu bilinen TİO bileşiği yerine morötesi ışığı daha az soğuran polimerler ve pigmentler kullanıldı.

 

7--Geçtiğimiz haziran ayında yayımlanan bir başka makalede de Fan ve arkadaşları yeni bir soğutucu yüzey kaplaması ürettiklerini açıkladılar. Araştırmacılar kısaca PDMS olarak adlandırılan bir tür polimeri süper-serin malzeme hâline getirmek için yeryüzünün en sıcak bölgelerinde bile hayatta kalmayı başaran bir böcek türünden esinlendiler.

 

7.1--Geliştirilen filmin üzerinde tıpkı böceğin kanatlarında olduğu gibi güneş ışığının yüksek oranda yansıtılmasını sağlayan piramit biçimli yapılar var. Gözlemler, malzemenin güneş ışı-ğının %96’sını yansıttığını ve soğutma gücünün yaklaşık 90 W/m2 olduğunu gösteriyor.

 

8--Bugün çeşitli ortamları soğuk tutmak için kullanılan soğutucu ve klimalar gibi cihazların tamamı enerji tüketerek çalışır. Süper-serin malzemelerse hiçbir enerji kaynağına ihtiyaç duymadan kendi sıcaklıklarını ortam sıcaklığının altında tutmayı başarıyor. Bu durum süper-serin malzemelerin doğal uygulama alanı olarak soğutma sistemlerinin ön plana çıkmasına neden oluyor

 

9--Geçen yıl mayıs ayında Xiaobo Yin ve çalışma arkadaşları, Maryland Üniversitesinden Liangbing Hu ve Tian Li ile ortak yaptıkları çalışma sonucunda süper-serin ahşap geliştirdiklerini açıkladılar. Ahşap malzemeler de polimerler gibi atmosfer tarafından soğurulmayan dalga boylarında yüksek oranda ışık yayar.

 

9.1--Ancak sıradan ahşap malzemelerin güneş ışığını yansıtma oranı düşüktür. Araştırmacılar lignin adlı bir tür organik polimeri kimyasal işlemlerle ahşaptan ayrıştırarak bu soruna çare bulmuşlar.

 

9.1--Ayrıca ahşap malzemeyi sıklaştırarak içerisindeki selüloz iplikçiklerin hizalanmasın! sağlamış, böylelikle de malzemenin yaydığı ısı miktarının artmasını sağlamışlar. Sonuçta mekanik direnci sıradan ahşabın yaklaşık 8 katı olan bir yapı malzemesi ortaya çıkmış. Gözlemler bu metamalzemenin 24 saat içindeki ortalama soğutma gücünün 53 W/ m2 olduğunu gösteriyor.

 

9.2--Gündüz vakitlerinde dahi sıcaklığını düşük tutmayı başarabilen bu malzemeyi kullanarak sıcak ve kurak iklimlerde inşa edilecek ya da dış yüzeyi kaplanacak yapılarda soğutma masraflarından %60’a varan oranda tasarruf etmenin mümkün olabileceği düşünülüyor. Ancak malzemenin açık havada ne kadar uzun süre dayanacağı henüz bilinmiyor

 

9.3--Hu geliştirdiği süper-serin ahşabın patentini Inventwood isimli bir firmaya devretti. Binaların dış yüzeyinde kullanılması durumunda, malzemenin soğutma sistemlerinde tüketilen enerjiyi %20-35 oranında azaltacağı öngörülüyor.

 

10--New York Eyalet Üniversitesinden Qiaoqiang Gan ve arkadaşları süper-serin yüzey kaplaması geliştirdiler. Saç kremlerinde de bulunan bir tür silikonlu polimerden üretilen malzeme, yansıtıcılığı yüksek bir yüzeyi kaplamak için kullanıldığında sıcaklığını ortam sıcaklığının altında tutmayı başarıyor.

 

10.1--Araştırmacılar alüminyum bir yüzeyi geliştirdikleri malzemeyle kapladıklarında laboratuvar ortamında 9,5°Clik, açık havada da 11°Clik soğuma gözlemlediler. Malzemenin soğutma gücü yaklaşık 120 W/m2 olarak ölçüldü.

 

Kaynak:Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi-Ekim 2020