Можно ли охладить предмет ниже температуры окружающего воздуха, не потратив ни ватта?
Можно — если направить его радиатор мимо атмосферы, прямо в космос.
Лёд при плюсовой температуре
В XVIII веке британский офицер Роберт Баркер описал в трудах Лондонского королевского общества то, что делали в Индии задолго до него.
На открытом поле выкапывали неглубокие ямы, застилали их соломой, ставили сверху плоские пористые сосуды и наливали воду тонким слоем. Утром в них находили лёд — при том, что температура воздуха ночью не опускалась до нуля.
Персы делали то же самое в пустыне, храня зимний и «ночной» лёд в яхчалах — куполообразных ледниках с толстыми стенами.
Никакого испарительного охлаждения тут недостаточно: вода замерзала и в неподвижном влажном воздухе. Работало другое, и объяснение появилось только с термодинамикой излучения.
Вода излучала тепло в ночное небо. И небо оказалось несравнимо более холодным стоком, чем воздух над ней.
Окно, которого могло не быть
Всякое тело излучает. Тело при комнатной температуре — около трёхсот кельвинов — излучает в инфракрасном диапазоне с максимумом примерно на десяти микрометрах.
Атмосфера для инфракрасного излучения в основном непрозрачна: водяной пар и углекислый газ поглощают его почти во всём диапазоне и переизлучают обратно вниз. Именно поэтому ночью не наступает космический холод.
Но в этой непрозрачности есть щель. В интервале примерно от 8 до 13 микрометров атмосфера прозрачна — это так называемое окно прозрачности. Излучение, попавшее в него, уходит в космос, где температура фонового излучения составляет около трёх кельвинов.
Теперь соедините два факта. Окно лежит на 8–13 микрометрах. Максимум излучения тел земной температуры — около десяти. Окно приходится ровно на то место, где предметы вокруг нас излучают сильнее всего.
Значит, у любого предмета на поверхности Земли есть готовый канал к стоку тепла с температурой почти в абсолютный ноль. Надо только уметь этим каналом воспользоваться.
Противоречие: зеркало и чёрное тело
Ночью всё просто: излучай в окно и остывай. Ночное радиационное охлаждение даёт порядка 40–80 ватт с квадратного метра — этого хватало на индийский лёд и хватает для практических применений.
Днём начинается трудность. Солнце приносит на квадратный метр до тысячи ватт — на порядок больше, чем уходит через окно. Любая обычная поверхность днём греется, а не остывает.
Сформулируем противоречие.
Поверхность должна быть зеркальной — чтобы не принять солнечное излучение, которого в десять раз больше отводимого.
Поверхность должна быть чёрной — чтобы максимально излучать в инфракрасном диапазоне, иначе стока не будет.
Требования взаимоисключающие для обычного материала: хороший отражатель обычно плохо излучает, и наоборот. Но они относятся к разным диапазонам длин волн: солнечный свет — это 0,3–2,5 микрометра, а рабочее окно — 8–13.
Разрешение: разделение по спектру. Поверхность делают зеркалом в солнечном диапазоне и чёрным телом в инфракрасном окне. Одно и то же покрытие, разные свойства для разных длин волн.
Днём под солнцем
Задачу решили в 2014 году в Стэнфорде. Группа Аасвата Рамана и Шаньхуэя Фана изготовила покрытие из семи чередующихся слоёв оксида гафния и диоксида кремния на серебряной подложке.
Результат: отражение 97 процентов солнечного излучения и сильное селективное излучение в окне прозрачности. Под прямым солнцем при потоке около 850 ватт на квадратный метр образец охладился на 4,9 градуса ниже температуры окружающего воздуха. Чистая холодопроизводительность составила около 40 ватт с квадратного метра.
Формулировка стоит того, чтобы её повторить: предмет, лежащий на солнцепёке, был холоднее воздуха вокруг — и при этом ничего не потреблял.
Дальше пошла инженерия удешевления. В 2017 году появилась плёнка, где вместо прецизионных слоёв работают стеклянные микросферы, рассеянные в полимере, с тонким серебряным слоем снизу: рулонное производство вместо вакуумного напыления. Затем — пористые полимерные покрытия и сверхбелые краски, отражающие свыше 98 процентов солнца.
Приём за несколько лет прошёл путь от лабораторной многослойки до вещества, которое можно наносить кистью.
Главный враг — не солнце, а воздух
Тут появляется расплата, которую замечают не сразу.
Сток через небо слаб: сто ватт с квадратного метра в самом лучшем случае. А воздух отдаёт остывшей поверхности тепло конвекцией, и при разнице всего в несколько градусов этот приток сопоставим с отводом. То есть чем лучше мы охладились, тем сильнее нас греет собственная атмосфера.
Отсюда рекорды глубокого охлаждения достигаются только с защитой: поверхность накрывают экраном, прозрачным для инфракрасного излучения и непрозрачным для конвекции, а лучше — откачивают воздух. С вакуумной защитой удавалось уходить на десятки градусов ниже температуры воздуха.
Обратите внимание на структуру задачи. Мы нашли идеальный сток за пределами среды — и немедленно получили проблему изоляции от самой среды. Ресурс надсистемы оказался доступен только тому, кто сумел от надсистемы отгородиться.
Где это работает
Предохлаждение конденсаторов. Самое трезвое применение: не заменять холодильную машину, а помогать ей. Панели охлаждают воду на несколько градусов ниже воздуха и подают её в конденсатор кондиционера или холодильной установки супермаркета. По расчётам для офисного здания в жарком сухом климате экономия электроэнергии на охлаждение достигала пятой части.
Крыши и краски. Покрытие, отражающее солнце и излучающее в окно, снижает температуру кровли и нагрузку на кондиционирование — без всякой техники.
Солнечные панели. Фотоэлемент теряет эффективность при нагреве; излучающий слой поверх него отдаёт тепло в небо, не мешая свету проходить.
Сбор воды. Охлаждённая ниже точки росы поверхность собирает конденсат — в засушливых районах это способ получать воду из ночного воздуха.
Обратный ход: электричество из холода
Есть у этой темы и продолжение, которое переворачивает привычную картину.
Солнечная батарея работает потому, что рядом есть горячий объект — Солнце с температурой около шести тысяч кельвинов, а Земля холоднее. Но неравновесность можно использовать и с другого конца: рядом есть холодный объект — космос с температурой в три кельвина, а Земля теплее.
Значит, между обращённой к небу пластиной и окружающим воздухом возникает разность температур, и на ней можно поставить термоэлектрический генератор. Такие опыты сделаны: устройство вырабатывает ток ночью, в полной темноте, и его хватает, чтобы зажечь светодиод.
Мощность, правда, отрезвляющая — десятки милливатт с квадратного метра, то есть в тысячи раз меньше, чем даёт солнечная панель днём. Ниша поэтому узкая: автономные датчики и сигнальные огни там, где менять батарейку дороже, чем поставить пластину.
Но идея важнее мощности. Она возвращает нас к вопросу: кто заплатил? Ответ здесь предельно чёткий. Работу даёт разность температур между Землёй и остальной Вселенной, и она существует независимо от нас. Солнечная панель и небесный радиатор — два конца одной и той же неравновесности, и мы до сих пор пользовались почти исключительно горячим концом.
Честный счёт
Влажность закрывает окно. Водяной пар поглощает именно в рабочем диапазоне. Во влажном тропическом климате эффект падает в разы — а именно там охлаждение нужнее всего.
Облака закрывают его полностью. Небо перестаёт быть окном и становится обычной тёплой поверхностью.
Мощность мала. Сорок-сто ватт с квадратного метра. Чтобы снять нагрузку бытового кондиционера, понадобятся десятки квадратных метров чистого неба над головой.
Нужен обзор неба. Наклонная поверхность, соседнее здание, дерево — и часть телесного угла заменяется тёплым объектом.
Грязь убивает эффект. Пыль на покрытии портит и отражение в солнечном диапазоне, и излучение в инфракрасном.
Конденсат на самой панели. Охладившись ниже точки росы, поверхность покрывается влагой, которая меняет её оптические свойства.
Ночью проще, днём дороже. Ночное охлаждение получается почти любым белым материалом; дневное требует спектрально настроенного покрытия.
Что здесь сработало
Сток за пределами среды. Все доступные тела имеют температуру воздуха; космос — три кельвина.
Готовый канал в надсистеме. Окно прозрачности существует бесплатно и всегда.
Разрешение противоречия по спектру. Зеркало для одного диапазона и чёрное тело для другого.
Согласование с каналом. Спектр излучения поверхности подогнан под спектр пропускания атмосферы.
Отсутствие подвижных частей и питания. Устройство — это просто правильно устроенная поверхность.
Итог
Индийские мастера получали лёд в тёплую ночь, не зная ни про окно прозрачности, ни про температуру космического фона. Они просто заметили, что вода, видящая открытое небо, ведёт себя иначе, чем вода под навесом.
А суть умещается в одну фразу:
Если в среде нет достаточно холодного стока, посмотрите, нет ли окна наружу, — и подгоните поверхность под это окно.
