パッシブ冷却システムが恩恵を受ける可能性がある

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世界が温暖化するにつれて、電力を大量に消費する空調システムの使用が大幅に増加すると予測されており、既存の電力網に負担をかけ、信頼できる電力がほとんどまたはまったくない多くの場所をバイパスしています。現在、MIT で開発された革新的なシステムは、電力を必要とせず、わずかな水しか必要とせず、パッシブ冷却を使用して食用作物を保存し、建物内の従来のエアコンを補う方法を提供します。

このシステムは、既存のソーラーパネルに似たスリムなパッケージに放射冷却、蒸発冷却、断熱機能を組み合わせたもので、周囲温度から最大約19度（摂氏9.3度）の冷却を提供でき、これは食品の安全性を確保するのに十分である。非常に湿気の多い条件下では約 40% 長く保管できます。乾燥機条件下での安全な保管時間を 3 倍にできる可能性があります。

この発見は本日、Cell Reports Physical Science誌に、MITポスドクのZhengmao Lu氏、Arny Leroy PhD '21、Jeffrey Grossman教授とEvelyn Wang教授、その他2名による論文として報告された。システムの主要コンポーネントのコストを下げるにはさらなる研究が必要だが、研究者らは、最終的にはそのようなシステムが、電力不足や停電が発生している世界の多くの地域の冷却ニーズを満たす上で重要な役割を果たす可能性があると述べている。水により、従来の冷却システムの使用が制限されます。

このシステムは、それぞれが限られた量の冷却力を提供する以前のスタンドアロン冷却設計を巧みに組み合わせて、全体的に大幅に多くの冷却を生成します。これは、すでに食料供給が限られている世界の地域で腐敗による食品ロスを減らすのに十分です。その可能性を認識して、研究チームはマサチューセッツ工科大学のアブドゥル・ラティフ・ジャミール水・食品システム研究所から部分的に支援を受けています。

「この技術は、蒸発冷却や放射冷却などの以前の技術の優れた機能のいくつかを組み合わせたものです」とルー氏は言います。同氏は、この組み合わせを使用することで、従来の蒸発冷却システムや放射冷却システムの能力が制限されていた「湿度が高い地域でも、食品寿命を大幅に延長できることを示した」と述べています。

建物内に既存の空調システムがある場所では、新しいシステムを使用すると、システムの最も高温になる部分である凝縮器に冷水を送り、システムの負荷を大幅に軽減できます。「凝縮器の温度を下げることで、エアコンの効率を効果的に高めることができ、エネルギーを節約できる可能性があります」とルー氏は言います。

他のグループもパッシブ冷却技術を追求しているが、「これらの機能を相乗的に組み合わせることで、以前の技術では一般的にうまく機能しなかった高湿度の地域でも、高い冷却性能を達成できるようになりました」と同氏は言う。

このシステムは 3 つの材料層で構成されており、水と熱がデバイスを通過するときに一緒に冷却を提供します。実際には、この装置は従来のソーラーパネルに似ていますが、電力を供給する代わりに、たとえば食品保存容器の屋根として機能することにより、直接冷却を提供します。あるいは、パイプを通して冷水を送り、既存の空調システムの部品を冷却し、その効率を向上させるために使用することもできます。必要な唯一のメンテナンスは蒸発のために水を追加することですが、消費量は非常に少ないため、最も暑く乾燥した地域では約 4 日に 1 回、湿気の多い地域では月に 1 回だけ行う必要があります。

最上層はエアロゲルであり、ポリエチレン製のスポンジ状構造の空洞内に封入された空気の大部分からなる材料です。この材料は断熱性に優れていますが、水蒸気と赤外線の両方を自由に通過させます。水の蒸発（下の層から上昇）は冷却力の一部を提供しますが、赤外線放射は、これらの波長における地球の大気の極めて透明度を利用して、熱の一部を空気中を通って宇宙に直接放射します。 — 周囲の環境に熱風を吹き出すエアコンとは異なります。

エアロゲルの下にはヒドロゲルの層があります。これもスポンジ状の材料ですが、その細孔空間は空気ではなく水で満たされています。これは、冷却パッドや創傷被覆材などの製品に現在商業的に使用されている素材に似ています。これにより、その表面で水蒸気が形成され、その蒸気がエアロゲル層を通って環境中に排出されるため、蒸発冷却のための水源が提供されます。

その下の鏡のような層は、そこに到達した入射太陽光を反射し、材料を加熱するのではなくデバイスを通って太陽光を送り返し、熱負荷を軽減します。また、エアロゲルの最上層は優れた断熱材であり、太陽光反射性も高く、強い直射日光下でもデバイスの太陽熱の量を制限します。

「ここでの目新しさは、放射冷却機能、蒸発冷却機能、さらに断熱機能を 1 つのアーキテクチャにまとめていることです」と Lu 氏は説明します。このシステムは、MIT の建物の屋上で直径わずか 4 インチの小型バージョンを使用してテストされ、最適とは言えない気象条件でもその有効性が証明され、9.3 ℃ (18.7 °F) の冷却を達成したとルー氏は述べています。

「以前の課題は、蒸発材料が太陽光の吸収にうまく対処できないことが多いということでした」とルー氏は言います。「これらの他の素材の場合、通常、太陽の下にあると加熱されるため、周囲温度では高い冷却力を得ることができません。」

エアロゲル材料の特性はシステム全体の効率の鍵となりますが、繊細な多孔質構造を損傷することなくゆっくりと溶媒を除去するには、臨界点乾燥 (CPD) のための特別な装置が必要なため、この材料は現時点で製造コストが高くなります。望ましい特性を実現するために制御する必要がある重要な特性は、エアロゲルの細孔のサイズです。エアロゲルは、ポリエチレン材料と溶媒を混合してゼリー状のボウルのように固まらせて作成されます。そこから溶剤を出します。研究チームは現在、凍結乾燥などを利用してこの乾燥プロセスをより安価にする方法や、エアギャップで分離された膜など、同じ断熱機能を低コストで提供できる代替材料を見つける方法を模索している。

このシステムで使用されている他の材料は容易に入手でき、比較的安価であるが、ルー氏は「エアロゲルは、量産の観点からさらなる開発が必要な研究室製品の唯一の材料です」と言う。そして、このシステムが実用化されて広く使用されるようになるまでに、開発にどれくらいの時間がかかるかを予測することは不可能である、と彼は言う。

この研究には「受動冷却技術の非常に興味深く斬新なシステム統合アプローチを示している」と、この研究には関与していないパデュー大学機械工学教授のシューリン・ルアン氏は言う。ルアン氏はさらに、「蒸発冷却、放射冷却、断熱材を組み合わせることで、冷却性能が向上し、蒸発冷却や放射冷却単独よりも幅広い気候で効果を発揮することができます。この研究は、次のような重要な実用化を呼び込む可能性があります。」システムが合理的なコストで作成できれば、食品の保存に役立ちます。」

研究チームには、マサチューセッツ工科大学機械工学部のレナン・チャン氏と材料科学工学部のジャティン・パティル氏が含まれていました。

エアコンの使用に対抗する取り組みとして、MIT の研究者らは、蒸発と放射に依存し、電気を必要としない受動的冷却システムを開発したと、EnergyWire の Camille Bond が報告しています。「パッシブ冷却の利点は、非常に低い二酸化炭素排出量で増え続ける冷却ニーズに対応できることです」とポスドクの Zhengmao Lu 氏は説明します。

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