Dengan meningkatnya suhu dan gelombang panas yang mengganggu kehidupan di seluruh dunia, solusi pendinginan menjadi semakin penting. Ini adalah masalah kritis terutama di negara-negara berkembang, di mana musim panas dapat menjadi ekstrim dan diproyeksikan akan meningkat. Tetapi metode pendinginan umum seperti AC adalah mahal, mengkonsumsi energi dalam jumlah besar, membutuhkan akses yang siap dengan listrik, dan sering membutuhkan pendingin yang menguras ozon atau memiliki efek rumah kaca yang kuat.
Alternatif untuk metode pendinginan intensif energi ini adalah pasif daytime radiative cooling (PDRC), suatu fenomena di mana permukaan secara spontan mendingin dengan memantulkan sinar matahari dan memancarkan panas ke atmosfer yang lebih dingin. PDRC paling efektif jika permukaan memiliki nilai reflektan matahari tinggi (R) yang meminimalkan penyerapan panas matahari, dan daya pancar panas yang tinggi (Ɛ) yang memaksimalkan pengusiran radiasi panas ke langit. Jika R dan Ɛ cukup tinggi, kehilangan panas bersih dapat terjadi, bahkan saat tepat di bawah sinar matahari.
Mengembangkan desain PDRC yang praktis merupakan tantangan: banyak proposal desain terbaru yang rumit atau mahal, dan tidak dapat diterapkan atau diterapkan secara luas pada atap dan bangunan, yang memiliki bentuk dan tekstur yang berbeda. Hingga kini, cat putih, yang murah dan mudah diterapkan, telah menjadi patokan untuk PDRC. Namun, cat putih biasanya memiliki pigmen yang menyerap sinar UV, dan tidak memantulkan lagi panjang gelombang matahari dengan baik, sehingga kinerjanya bena-benar sederhana.
Para peneliti di Columbia Engineering telah menemukan lapisan polimer PDRC eksterior kinerja tinggi dengan rongga udara nano-ke-mikro yang bertindak sebagai pendingin udara spontan dan dapat dibuat, dicelup, dan diterapkan seperti cat pada atap, bangunan, tangki air, kendaraan, bahkan pesawat luar angkasa — apa pun yang bisa dicat.
Mereka menggunakan teknik fase inversi [fenomena kimia yang dimanfaatkan dalam pembuatan membran artifisial. Dilakukan dengan menghilangkan pelarut dari larutan polimer cair, meninggalkan membran yang padat dan berpori.] berbasis larutan yang memberikan struktur polimer seperti busa berpori. Rongga udara dalam polimer berpori menyebar dan memantulkan sinar matahari, karena perbedaan indeks bias antara rongga udara dan polimer sekitarnya. Polimer berubah menjadi putih dan dengan demikian menghindari pemanasan matahari, sementara daya pancar intrinsiknya menyebabkannya secara efisien membuang panas ke langit.
Studi ini telah diterbitkan secara online di Science.
Tim yang terdiri dari Yuan Yang, Nanfang Yu, dan Jyotirmoy Mandal, penulis utama studi ini, dibangun berdasarkan pada pekerjaan sebelumnya yang menunjukkan bahwa plastik dan polimer sederhana, termasuk akrilik, silikon, dan PET, adalah radiator panas yang sangat baik dan bisa digunakan untuk PDRC. Tantangannya adalah bagaimana mendapatkan polimer normal transparan ini untuk memantulkan sinar matahari tanpa menggunakan cermin perak sebagai reflektor dan bagaimana membuatnya mudah untuk disebarluaskan.
Mereka memutuskan untuk menggunakan fase-inversi karena ini adalah metode berbasis larutan yang sederhana untuk membuat rintik-rintik udara yang memencarkan cahaya di dalam polimer. Polimer dan pelarut sudah digunakan dalam cat, dan metode Columbia Engineering pada dasarnya menggantikan pigmen dalam cat putih dengan rongga udara yang memantulkan semua panjang gelombang sinar matahari, dari ultra violet hingga ke inframerah.
“Modifikasi sederhana namun mendasar ini menghasilkan reflektansi dan daya pancar luar biasa yang sama atau melampaui desain PDRC yang paling canggih, tetapi dengan kenyamanan yang hampir menyerupai cat,” kata Mandal.
Para peneliti menemukan bahwa pelapisan polimer mereka menghasilkan nilai reflektansi matahari menjadi tinggi (R> 96%) dan daya pancar panas yang tinggi juga (Ɛ ~ 97%) membuatnya tetap lebih dingin daripada lingkungannya di bawah langit yang berbeda-beda, misalnya penurunan suhu tetap mencapai 6˚C di gurun yang panas dan gersang seperti di Arizona dan 3˚C di lingkungan tropis Bangladesh yang berkabut.
“Fakta bahwa pendinginan telah dicapai baik di padang pasir maupun iklim tropis, tanpa perlindungan termal atau perisai, menunjukkan kegunaan desain kami di mana pun pendinginan diperlukan,” catatan Yang.
Tim juga menciptakan lapisan polimer berwarna dengan kemampuan pendinginan dengan menambahkan zat warna. “Mencapai keseimbangan unggul antara warna dan kinerja pendinginan di atas cat saat ini adalah salah satu aspek terpenting dari pekerjaan kami,” kata Yu.
“Untuk pelapis eksterior, pemilihan warna sering subjektif, dan produsen cat telah mencoba membuat pelapis berwarna, seperti untuk atap, selama beberapa dekade. “Kelompok ini mengambil isu-isu lingkungan dan operasional, seperti daur ulang, bio-kompatibilitas, dan operabilitas suhu tinggi, menjadi pertimbangan, dan menunjukkan bahwa teknik mereka dapat digeneralisasikan ke berbagai polimer untuk mencapai fungsi-fungsi ini.
“Polimer adalah kelas material yang luar biasa beragam, dan karena teknik ini generik, properti tambahan yang diinginkan dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam lapisan PDRC kami, jika polimer yang sesuai tersedia,” tambah Mandal.“Alam menawarkan banyak cara untuk pemanasan dan pendinginan, beberapa di antaranya sangat terkenal dan dipelajari secara luas dan lainnya yang kurang dikenal.
Pendinginan radiasi — dengan menggunakan langit sebagai penyerap panas — termasuk dalam kelompok terakhir, dan potensinya telah diabaikan secara aneh oleh para ilmuwan hingga beberapa tahun yang lalu,” kata Profesor Fisika Universitas Uppsala Claes-Göran Granqvist, pelopor di bidang ini. pendinginan radiasi, yang tidak terlibat dengan penelitian.“Publikasi oleh Mandal dan tim menyoroti pentingnya pendinginan radiasi dan mewakili terobosan penting dengan menunjukkan bahwa lapisan polimer berpori hierarkis, yang dapat disiapkan dengan murah dan nyaman, memberikan pendinginan yang sangat baik bahkan saat tepat di bawah sinar matahari.”
Ilustrasi yang menunjukkan bagaimana pasifnya radiasi radiasi siang hari (PDRC) melibatkan secara bersamaan memantulkan sinar matahari dan memancarkan panas ke langit dingin untuk mencapai kehilangan panas bersih. Proses, yang spontan, dapat mendinginkan struktur ke suhu sub-ambien.
Tim menyempurnakan desain mereka dalam hal penerapan, sambil mengeksplorasi kemungkinan seperti penggunaan polimer dan pelarut yang sepenuhnya biokompatibel. Mereka sedang berdiskusi dengan industri tentang langkah selanjutnya.
“Sekarang adalah saat yang kritis untuk mengembangkan solusi yang menjanjikan bagi kemanusiaan yang berkelanjutan,” kata Yang. “Tahun ini, kita menyaksikan gelombang panas dan suhu memecahkan rekor di Amerika Utara, Eropa, Asia, dan Australia. Sangat penting jika kami menemukan solusi untuk tantangan iklim ini, dan kami sangat bersemangat untuk bekerja pada teknologi baru ini yang membahasnya.”
Yu menambahkan bahwa dia dulu berpikir bahwa putih adalah warna yang paling mungkin dicapai: “Ketika saya mempelajari lukisan cat air bertahun-tahun yang lalu, cat putih adalah yang paling mahal. Cremnitz putih atau timah putih adalah pilihan para master ternama, termasuk Rembrandt dan Lucian Freud. Kami sekarang telah menunjukkan bahwa putih sebenarnya adalah warna yang paling bisa dicapai. Ini dapat dibuat menggunakan tidak lebih dari rongga udara berukuran tepat tertanam dalam medium transparan. Rongga udara adalah apa yang membuat salju putih dan semut perak Sahara.”
