La radiación infrarroja puede atravesar el aire seco y limpio en el rango de longitudes de onda de 8 a 13 μm. Los materiales que pueden absorber energía e irradiarla en esas longitudes de onda exhiben un fuerte efecto de enfriamiento. Los materiales que también pueden reflejar el 95% o más de la luz solar en el rango de 200 nanómetros a 2,5 μm pueden exhibir enfriamiento incluso bajo la luz solar directa. [9]
El presupuesto energético de la Tierra
El sistema Tierra-atmósfera se enfría radiativamente y emite radiación de onda larga ( infrarroja ) que equilibra la absorción de energía de onda corta (luz visible) del Sol.
Tanto el transporte convectivo del calor como el transporte evaporativo del calor latente son importantes para extraer calor de la superficie y distribuirlo en la atmósfera. El transporte radiativo puro es más importante en las zonas más altas de la atmósfera. La variación diurna y geográfica complica aún más el panorama.
La circulación a gran escala de la atmósfera terrestre está impulsada por la diferencia en la radiación solar absorbida por metro cuadrado, ya que el sol calienta más la Tierra en los trópicos , principalmente debido a factores geométricos. La circulación atmosférica y oceánica redistribuye parte de esta energía como calor sensible y calor latente, en parte a través del flujo medio y en parte a través de remolinos, conocidos como ciclones en la atmósfera. Por lo tanto, los trópicos irradian menos al espacio de lo que lo harían si no hubiera circulación, y los polos irradian más; sin embargo, en términos absolutos, los trópicos irradian más energía al espacio.
Enfriamiento nocturno de la superficie
El enfriamiento radiativo se produce con frecuencia en noches sin nubes, cuando el calor se irradia al espacio exterior desde la superficie de la Tierra o desde la piel de un observador humano. El efecto es bien conocido entre los astrónomos aficionados .
El efecto se puede experimentar comparando la temperatura de la piel al mirar directamente hacia un cielo nocturno sin nubes durante varios segundos, con la que se obtiene al colocar una hoja de papel entre la cara y el cielo. Dado que el espacio exterior irradia a una temperatura de aproximadamente 3 K (−270,15 °C ; −454,27 °F ) y la hoja de papel irradia a unos 300 K (27 °C; 80 °F) (aproximadamente la temperatura ambiente ), la hoja de papel irradia más calor a la cara que el cosmos oscurecido. El efecto se ve atenuado por la atmósfera circundante de la Tierra, y en particular por el vapor de agua que contiene, por lo que la temperatura aparente del cielo es mucho más cálida que la del espacio exterior. La hoja no bloquea el frío, sino que refleja el calor a la cara e irradia el calor de la cara que acaba de absorber.
El mismo mecanismo de enfriamiento radiativo puede provocar la formación de escarcha o hielo negro en superficies expuestas al cielo nocturno despejado, incluso cuando la temperatura ambiente no desciende por debajo del punto de congelación.
Estimación de Kelvin de la edad de la Tierra
El término enfriamiento radiativo se utiliza generalmente para procesos locales, aunque los mismos principios se aplican al enfriamiento a lo largo del tiempo geológico, que fue utilizado por primera vez por Kelvin para estimar la edad de la Tierra (aunque su estimación ignoró el calor sustancial liberado por la desintegración de radioisótopos, desconocido en ese momento, y los efectos de la convección en el manto).
Astronomía
El enfriamiento radiativo es una de las pocas formas en que un objeto en el espacio puede emitir energía. En particular, las estrellas enanas blancas ya no generan energía por fusión o contracción gravitacional y no tienen viento solar. Por lo tanto, la única forma en que su temperatura cambia es por enfriamiento radiativo. Esto hace que su temperatura en función de la edad sea muy predecible, por lo que al observar la temperatura, los astrónomos pueden deducir la edad de la estrella. [10] [11]
Aplicaciones
Cambio climático
El PDRC puede reducir las temperaturas sin consumir energía ni contaminar, irradiando calor al espacio exterior. Se ha propuesto su aplicación generalizada como solución al calentamiento global. [12]El enfriamiento radiativo pasivo diurno (PDRC) (también enfriamiento radiativo pasivo, enfriamiento radiativo pasivo diurno, enfriamiento radiativo del cielo, enfriamiento radiativo fotónico y enfriamiento radiativo terrestre [13] [14] [15] [16] ) es el uso de superficies reflectantes/ emisoras térmicamente sin energía para reducir la temperatura de un edificio u otro objeto. [17]
Las tecnologías de enfriamiento radiativo pasivo utilizan la ventana infrarroja de 8 a 13 μm para irradiar calor al espacio exterior e impedir la absorción solar.
Arquitectura
Los distintos materiales de los techos absorben más o menos calor. Cuanto mayor sea el albedo del techo , o cuanto más blanco sea el techo, mayor será su reflectancia solar y su emisión de calor, lo que puede reducir el uso y los costos de energía.
Los techos fríos combinan una alta reflectancia solar con una alta emisión de infrarrojos , reduciendo así simultáneamente la ganancia de calor del sol y aumentando la eliminación de calor a través de la radiación. El enfriamiento radiativo ofrece así potencial para el enfriamiento pasivo de edificios residenciales y comerciales. [5] Las superficies de construcción tradicionales, como los revestimientos de pintura, el ladrillo y el hormigón tienen altas emitancias de hasta 0,96. [27] Irradian calor al cielo para enfriar pasivamente los edificios por la noche. Si se hacen lo suficientemente reflectantes a la luz solar, estos materiales también pueden lograr un enfriamiento radiativo durante el día.
Los enfriadores radiativos más comunes que se encuentran en los edificios son los recubrimientos de pintura blanca para techos fríos, que tienen reflectancias solares de hasta 0,94 y emitancias térmicas de hasta 0,96. [28] La reflectancia solar de las pinturas surge de la dispersión óptica por los pigmentos dieléctricos incrustados en la resina de pintura polimérica, mientras que la emitancia térmica surge de la resina polimérica. Sin embargo, debido a que los pigmentos blancos típicos como el dióxido de titanio y el óxido de zinc absorben la radiación ultravioleta, las reflectancias solares de las pinturas basadas en dichos pigmentos no superan 0,95.
En 2014, los investigadores desarrollaron el primer enfriador radiativo diurno utilizando una estructura fotónica térmica multicapa que emite selectivamente radiación infrarroja de longitud de onda larga al espacio y puede lograr un enfriamiento subambiental de 5 °C bajo la luz solar directa. [29] Más tarde, los investigadores desarrollaron recubrimientos de polímero poroso que se pueden pintar, cuyos poros dispersan la luz solar para dar una reflectancia solar de 0,96-0,99 y una emitancia térmica de 0,97. [30] En experimentos bajo la luz solar directa, los recubrimientos alcanzan temperaturas subambientales de 6 °C y poderes de enfriamiento de 96 W/m 2 .
Otras estrategias notables de enfriamiento radiativo incluyen películas dieléctricas sobre espejos metálicos, [31] y polímeros o compuestos de polímeros sobre películas de plata o aluminio. [32] En 2015 se informaron películas de polímeros plateados con reflectancias solares de 0,97 y emitancia térmica de 0,96, que permanecen 11 °C más frías que las pinturas blancas comerciales bajo el sol de mediados de verano. [33] Los investigadores exploraron diseños con partículas dieléctricas de dióxido de silicio o carburo de silicio incrustadas en polímeros que son translúcidos en las longitudes de onda solares y emisivos en el infrarrojo. [34] [35] En 2017, se informó un ejemplo de este diseño con microesferas de sílice polar resonantes incrustadas aleatoriamente en una matriz polimérica. [36] El material es translúcido a la luz solar y tiene una emisividad infrarroja de 0,93 en la ventana de transmisión atmosférica infrarroja. Cuando se recubre con una capa de plata, el material alcanza una potencia de enfriamiento radiativo al mediodía de 93 W/m2 bajo la luz solar directa, junto con una fabricación rollo a rollo económica y de alto rendimiento.
Escudos térmicos
Los recubrimientos de alta emisividad que facilitan el enfriamiento radiativo se pueden utilizar en sistemas de protección térmica reutilizables (RTPS) en naves espaciales y aeronaves hipersónicas . En dichos escudos térmicos , se aplica un material de alta emisividad, como disiliciuro de molibdeno (MoSi 2 ) sobre un sustrato cerámico aislante térmico. [4] En dichos escudos térmicos , se deben mantener altos niveles de emisividad total, típicamente en el rango de 0,8 a 0,9, en un rango de altas temperaturas. La ley de Planck dicta que a temperaturas más altas, el pico de emisión radiativa se desplaza a longitudes de onda más bajas (frecuencias más altas), lo que influye en la selección del material en función de la temperatura de funcionamiento. Además de un enfriamiento radiativo eficaz, los sistemas de protección térmica radiativa deben proporcionar tolerancia al daño y pueden incorporar funciones de autocuración a través de la formación de un vidrio viscoso a altas temperaturas.
Telescopio espacial James Webb
El telescopio espacial James Webb utiliza refrigeración radiactiva para alcanzar su temperatura de funcionamiento de unos 50 K. Para ello, su gran parasol reflectante bloquea la radiación procedente del Sol, la Tierra y la Luna. La estructura del telescopio, que se mantiene permanentemente a la sombra gracias al parasol, se enfría después por radiación.
Fabricación de hielo nocturno en la antigua India e Irán
Antes de la invención de la tecnología de refrigeración artificial, la fabricación de hielo mediante enfriamiento nocturno era común tanto en India como en Irán.
En la India, estos aparatos consistían en una bandeja de cerámica poco profunda con una fina capa de agua, colocada al aire libre con una exposición clara al cielo nocturno. El fondo y los lados estaban aislados con una gruesa capa de heno. En una noche despejada, el agua perdía calor por radiación hacia arriba. Siempre que el aire estuviera en calma y no muy por encima del punto de congelación, la ganancia de calor del aire circundante por convección era lo suficientemente baja como para permitir que el agua se congelara. [37] [38] [3]
En Irán, esto implicó construir grandes piscinas de hielo planas , que consistían en una piscina de reflexión de agua construida sobre un lecho de material altamente aislante rodeado de paredes altas. Las paredes altas proporcionaban protección contra el calentamiento por convección, el material aislante de las paredes de la piscina protegería contra el calentamiento conductivo del suelo, la gran superficie plana de agua permitiría entonces que se produjera un enfriamiento por evaporación y radiación.
Tipos
Intensidad de la radiación térmica de onda larga de la Tierra , procedente de las nubes, la atmósfera y la superficie
Los tres tipos básicos de enfriamiento radiante son directo, indirecto y fluorescente:
Refrigeración radiante directa : en un edificio diseñado para optimizar la refrigeración por radiación directa, el techo del edificio actúa como un disipador de calor para absorber las cargas internas diarias. El techo actúa como el mejor disipador de calor porque es la mayor superficie expuesta al cielo nocturno. La transferencia de calor por radiación con el cielo nocturno eliminará el calor del techo del edificio, enfriando así la estructura del edificio. Los estanques en el techo son un ejemplo de esta estrategia. El diseño del estanque en el techo se hizo popular con el desarrollo del sistema térmico Sky diseñado por Harold Hay en 1977. Hay varios diseños y configuraciones para el sistema de estanque en el techo, pero el concepto es el mismo para todos los diseños. El techo utiliza agua, ya sea bolsas de plástico llenas de agua o un estanque abierto, como disipador de calor, mientras que un sistema de paneles de aislamiento móviles regula el modo de calefacción o refrigeración. Durante el día en el verano, el agua en el techo está protegida de la radiación solar y la temperatura del aire ambiente por un aislamiento móvil, lo que le permite servir como disipador de calor y absorber el calor generado en el interior a través del techo. Por la noche, los paneles se retraen para permitir la radiación nocturna entre el estanque del techo y el cielo nocturno, eliminando así el calor almacenado. En invierno, el proceso se invierte para que el estanque del techo pueda absorber la radiación solar durante el día y liberarla durante la noche en el espacio inferior. [39] [40]
Refrigeración radiante indirecta : un fluido de transferencia de calor elimina el calor de la estructura del edificio mediante la transferencia de calor por radiación con el cielo nocturno. Un diseño común para esta estrategia implica una cámara de distribución entre el techo del edificio y la superficie del radiador. El aire ingresa al edificio a través de la cámara de distribución, se enfría desde el radiador y enfría la masa de la estructura del edificio. Durante el día, la masa del edificio actúa como disipador de calor.
Enfriamiento radiante fluorescente : un objeto puede volverse fluorescente : absorberá luz en algunas longitudes de onda, pero irradiará energía nuevamente en otras longitudes de onda seleccionadas. Al irradiar calor selectivamente en la ventana atmosférica infrarroja , un rango de frecuencias en el que la atmósfera es inusualmente transparente, un objeto puede usar efectivamente el espacio exterior como un disipador de calor y enfriarse a una temperatura del aire muy por debajo de la temperatura ambiente. [41] [42] [43]
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