Lämpö hallintaan nanomateriaaleilla

MIT:n tutkijat ovat kehittämässä tekniikoita, joiden avulla lämpöä voidaan manipuloida ja ohjata aivan kuten valonsäteitä linsseillä ja peileillä.

Lähestymistapa perustuu teknisiin materiaaleihin, jotka koostuvat nanorakenteisista kiteisistä puolijohdeseoksista.

Perusajatuksena on, että lämpövärähtelyt muutetaan ensin alemmille taajuusalueille. Tällöin 40 prosenttia koko lämpövirrasta on keskittynyt hypersoniselle alueelle 100 - 300 gigahertsiin ja suurin osa hilavärähtelyistä on suuntautunut kapeaksi säteeksi, joka suuntaan liikkuvan lämpösäteilyn sijaan.

Tämän seurauksena sädettä voidaan käsitellä fononisilla kiteillä, joita tutkijat nimittävät "lämpökiteiksi". Uudenlaisena materiaaliluokkana lämpökiteillä voidaan tuottaa muun muassa parempia lämpösähköisiä laitteita, jotka muuntavat lämpötilaeron sähköksi tai niistä voitaisiin rakentaa lämpödiodeja.

Stanfordin ylipiston tutkijat ovat puolestaan kehitelleet täysin uudentyyppisen jäähdytysrakenteen, joka jäähdyttää itsensä tai jopa rakennuksia täydessä auringonpaisteessa. Paneeli heijastaa suurimman osan auringonvalosta samalla kun se säteilee lämpöä avaruuden kylmyyteen.

Tekniikan kannalta temppu on kaksijakoinen. Ensinnäkin peiliheijastimen täytyy olla mahdollisimman tehokas sillä heikommat lämpenevät itse tarpeettomasti. Toinen haaste oli, että rakenne säteilisi pois lämpösäteilyä aallonpituusalueella, jolle ilmakehä on lähes läpinäkyvä.

Tutkijat onnistuivat yhdistämään lämpösäteilijän ja aurinkoheijastimen yhdeksi laitteeksi. Toteutukseen käytettiin kvartsista ja piikarbidista valmistettua metalli-eriste fotonirakennetta. Se käyttäytyy kuin laajakaistainen auringonvalon peili, joka samalla säteilee voimakkaasti ilmakehän avoimella keski-infrapunan kaistalla.

Laskelmien mukaan laite pystyy saavuttamaan nettojäähdytystehon yli 100 wattia neliömetriä kohden. Ilman ulkoista energiaa toimivana jäähdytysratkaisuna se soveltuu käytettäväksi myös sähköverkkojen ulottumattomissa.