99.6%の反射率で建物を冷却する超白色セラミックが開発された

masapoco
投稿日
2023年11月15日 18:19
ultra white ceramic 1

香港城市大学(City University of Hong Kong、CityU)の研究者たちは、受動放射冷却(Passive Radiative Cooling、PRC)材料の分野において、熱・光の反射率が99.6%にも達するという画期的な素材を作り上げた。太陽光と高熱を反射して建物を劇的に冷却することができる新しい超白色セラミック材料を作り上げたのだ。この研究成果は、科学雑誌『Science』に「階層構造を持つ受動放射冷却セラミックス:高い太陽反射率」というタイトルで発表されている。

シロコガネと言う昆虫にヒントを得て新たに開発されたこの「冷却セラミック」は、電力や冷却剤を必要とせずに冷却を生み出すための顕著な光学特性を有している。この冷却セラミックは、そのコスト効率、耐久性、汎用性において、建築業界をはじめとする多様な用途での商業化に適しており、建物の熱負荷を減少させ、異なる気象条件や気候下で安定した冷却性能を提供することにより、地球温暖化を抑制する上で重要な役割を果たす可能性がある。

しかし、ナノフォトニック構造を使用する既存のPRC材料は、高コストとエンドユーザーとの互換性の低さによって普及していない。また、ポリマーフォトニックの代替品は、耐候性と効果的な太陽反射の欠如に悩まされている。

新開発の冷却セラミックは、これらの制約を克服し、高度な光学特性を維持しながら強い適用性を実現している。色の保持、耐候性、機械的堅牢性、およびライデンフロスト効果の低減という特性を備えており、これらの特性はその耐久性と汎用性を保証する重要な要素である。

冷却セラミックを特徴づける主要な特徴の一つは、その階層的多孔質構造である。この構造は、アルミナなどの一般的に入手可能な無機材料を使用して、相転移と焼結という単純な2段階プロセスを通じて容易に製造することができる。その結果、繊細な機器や高価な材料を必要とせずに、冷却セラミックのスケーラブルな製造が非常に実現可能になる。

PRC材料の光学特性は、その冷却性能を決定するために、太陽光範囲(0.25-2.5 µm)と中赤外線範囲(8-13 µm)の2つの波長範囲で評価される。アルミナの高いバンドギャップにより、新しい冷却セラミックは太陽吸収を効果的に最小限に抑えることができる。

さらに、シロコガネの生物白色を模倣し、ミー散乱原理に基づいて多孔質構造を最適化することにより、冷却セラミックは太陽光のほぼすべての波長を効率的に分散させ、99.6%というほぼ理想的な太陽反射率を達成し、中赤外線での高い熱放射(96.5%)を実現する。これらの高度な光学特性は、今日の次世代材料を上回っている。

その卓越した光学性能に加えて、冷却セラミックは優れた耐候性、化学的安定性、機械的強度を示し、長期間の屋外使用に理想的である。極めて高温下では、冷却セラミックは超親水性を示し、従来の建築クラッディング材料で一般的に見られる蒸発熱伝達の障害を防ぎ、効率的な蒸発冷却を可能にするとのことだ。

CityUのエネルギー環境学部(School of Energy and Environment、SEE)のEdwin Tso Chi-yan准教授は、受動放射冷却(PRC)が、空間冷却の需要増加に対処し、環境負荷を低減させ、地球温暖化を緩和するための最も有望な技術の一つであると述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

ナノフォトニック構造を用いたパッシブ放射冷却は、コストが高く、既存の最終用途との互換性が低いという制約がある。我々は、高効率の光散乱と99.6%というほぼ完璧な太陽光反射率を達成できるセルラーセラミックを開発した。これらの性質は、高い熱放射率と相まって、このセラミックが屋外の環境において、正午に1平方メートルあたり130ワット以上の冷却能力を持つ連続的な亜温帯冷房を提供することを可能にし、世界的規模での省エネの可能性を示している。色彩、耐候性、機械的堅牢性、ライデンフロスト効果を抑制する能力は、冷却セラミックの耐久性と汎用性を保証する重要な特徴であり、これにより、特に建築物など様々な用途での商品化が容易になる。



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