放射冷却

熱伝達の研究において、放射冷却^{[1] [2]は物体が}熱放射によって熱を失うプロセスです。プランクの法則が示すように、あらゆる物体は自発的かつ継続的に電磁放射を放射しています。

放射冷却は人類の歴史を通じて、インドやイランでの製氷、^[3]、宇宙船の熱シールド、 ^[4]、建築など、さまざまな場面で応用されてきました。^[5] 2014年には、フォトニックメタマテリアルの使用における科学的ブレークスルーにより、昼間の放射冷却が可能になりました。^{[6] [7]それ以来、これは}受動的な昼間の放射冷却として知られる、温室効果ガス排出によって引き起こされる地域的および地球規模の温暖化を緩和する戦略として提案されてきました。^[8]

赤外線は、8～13μmの波長範囲で乾燥した透明な空気を通過できます。これらの波長でエネルギーを吸収して放射できる物質は、強力な冷却効果を発揮します。また、200ナノメートルから2.5μmの範囲で太陽光の95％以上を反射できる物質は、直射日光下でも冷却効果を発揮します。^[9]

地球の大気系は放射冷却されており、太陽からの短波（可視光）エネルギーの吸収とバランスをとる 長波（赤外線）放射を放出します。

対流による熱輸送と、蒸発による潜熱輸送は、どちらも表面から熱を除去して大気中に分散させる上で重要です。純粋な放射輸送は、大気の上層部ではより重要です。日周変動と地理的変動により、状況はさらに複雑になります。

地球の大気の大規模な循環は、主に幾何学的要因により、熱帯地方で太陽が地球をより熱するため、1平方メートルあたりの吸収太陽放射の差によって引き起こされます。大気と海洋の循環は、平均流と大気中のサイクロンとして知られる渦を介して、このエネルギーの一部を顕熱と潜熱として再分配します。したがって、循環がない場合に比べて、熱帯地方では宇宙への放射が少なくなり、極では放射が多くなります。ただし、絶対値で見ると、熱帯地方の方が宇宙へのエネルギーの放射が多いです。

放射冷却は雲のない夜によく見られ、地球の表面や人間の皮膚から宇宙空間に熱が放射されます。この効果はアマチュア天文学者の間ではよく知られています。

この効果は、数秒間雲ひとつない夜空をまっすぐ見上げたときの皮膚温度と、顔と空の間に一枚の紙を置いたときの皮膚温度を比べることで体験できます。宇宙空間の温度は約 3  K (-270.15  °C ; -454.27  °F ) で放射し、紙は約 300 K (27 °C ; 80 °F) (室温付近) で放射するため、暗い宇宙よりも紙の方が顔に多くの熱を放射します。この効果は地球の周囲の大気、特にそこに含まれる水蒸気によって鈍くなるため、空の見かけの温度は宇宙空間よりもはるかに暖かくなります。紙は寒さを遮断するのではなく、顔に熱を反射し、吸収したばかりの顔の熱を放射します。

同じ放射冷却メカニズムにより、周囲の温度が氷点下まで下がらない 場合でも、晴れた夜空にさらされた表面に霜やブラックアイスが形成されることがあります。

放射冷却という用語は一般に局所的なプロセスに使用されますが、同じ原理が地質学的時間の経過に伴う冷却にも適用されます。これはケルビンが地球の年齢を推定するために初めて使用されました (ただし、彼の推定では、当時は知られていなかった放射性同位体の崩壊によって放出される大量の熱と、マントルの対流の影響は無視されていました)。

放射冷却は、宇宙の物体がエネルギーを放出できる数少ない方法の 1 つです。特に、白色矮星はもはや核融合や重力収縮によってエネルギーを生成しておらず、太陽風もありません。そのため、温度が変化する唯一の方法は放射冷却です。これにより、年齢の関数としての温度は非常に予測しやすくなり、温度を観測することで天文学者は星の年齢を推測できます。^{[10] [11]}

パッシブ昼間放射冷却（PDRC）（パッシブ放射冷却、昼間パッシブ放射冷却、放射空冷却、光子放射冷却、地表放射冷却とも呼ばれる^{[13] [14] [15] [16]} ）は、建物やその他の物体の温度を下げるために、電力を供給されない反射/熱放射面を使用する方法です。 ^[17]

これは、空調に必要なエネルギーを削減し、^{[18] [19]}ヒートアイランド現象を緩和し、^{[20] [21]}人体の体温を下げることで、温室効果ガスによる気温上昇を抑える方法として提案されている。^{[22] [12] [23] [24] [18]}

PDRCは、太陽光発電システム、^{[15] [25] 、} 結露収集装置、熱電発電機 など、低温でより効率的なシステムを支援することができます。^{[26] [25]}

クールルーフは高い太陽光反射率と高い赤外線放射率を併せ持ち、太陽からの熱取得を減らし、放射による熱除去を増加させます。放射冷却はこのように住宅や商業ビルのパッシブ冷却の可能性を提供します。^[5]塗装、レンガ、コンクリートなどの従来の建物の表面は、最大0.96の高い放射率を持っています。^[27]これらは熱を空に放射し、夜間に建物をパッシブに冷却します。太陽光を十分に反射するようにすれば、これらの素材は日中に放射冷却を実現することもできます。

建物に見られる最も一般的な放射冷却材は、太陽光反射率が最大0.94、熱放射率が最大0.96である白色クールルーフ塗料コーティングです。^[28]塗料の太陽光反射率は、ポリマー塗料樹脂に埋め込まれた誘電顔料による光散乱から生じ、熱放射率はポリマー樹脂から生じます。しかし、二酸化チタンや酸化亜鉛などの一般的な白色顔料は紫外線を吸収するため、そのような顔料をベースにした塗料の太陽光反射率は0.95を超えません。

2014年、研究者らは、長波長の赤外線を選択的に宇宙に放射し、直射日光下で周囲温度より5℃低い冷却を達成できる多層熱フォトニック構造を使用した初の昼間放射冷却器を開発しました。^[29]その後、研究者らは、細孔が太陽光を散乱させて太陽光反射率0.96～0.99、熱放射率0.97を実現する、塗装可能な多孔質ポリマーコーティングを開発しました。^{[30]直射日光下での実験では、コーティングは周囲温度より6℃低い温度と96 W/ m2}の冷却能力を達成しました。

その他の注目すべき放射冷却戦略としては、金属ミラー上の誘電体フィルム、^[31] や銀またはアルミニウムフィルム上のポリマーまたはポリマー複合材などがあります。^[32]太陽光反射率 0.97、熱放射率 0.96 の銀メッキポリマーフィルムは、真夏の太陽の下でも市販の白色塗料よりも 11 °C 低いままであることが 2015 年に報告されました。^[33]研究者らは、太陽光波長では半透明で赤外線では放射するポリマーに誘電体二酸化ケイ素または炭化ケイ素粒子を埋め込んだ設計を検討しました。 ^{[34] [35]} 2017 年には、共鳴極性シリカ微小球をポリマーマトリックスにランダムに埋め込んだこの設計の例が報告されました。^[36]この材料は太陽光に対して半透明で、赤外線大気透過ウィンドウでの赤外線放射率は 0.93 です。銀コーティングを施すことで、この材料は、高スループットで経済的なロールツーロール製造に加え、直射日光下で 正午の放射冷却力 93 W/m ^{2を達成しました。}

放射冷却を促進する高放射率コーティングは、宇宙船や極超音速航空機の再使用可能熱防護システム（RTPS）に使用されることがあります。このような熱シールドでは、モリブデンジシリサイド（MoSi ₂ ）などの高放射率材料が断熱セラミック基板に塗布されます。^[4]このような熱シールドでは、通常0.8〜0.9の範囲の高いレベルの全放射率を、さまざまな高温にわたって維持する必要があります。プランクの法則によれば、高温では放射放出ピークが低い波長（高い周波数）にシフトし、動作温度の関数として材料の選択に影響します。放射熱防護システムは、効果的な放射冷却に加えて、損傷耐性を提供する必要があり、高温で粘性ガラスを形成することによる自己修復機能を組み込むことができます。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、約50 K の動作温度に達するために放射冷却を利用しています。そのために、大型の反射サンシールドが太陽、地球、月からの放射を遮断します。サンシールドによって恒久的に影に覆われた望遠鏡の構造は、放射によって冷却されます。

人工冷却技術が発明される前は、夜間冷却による製氷はインドでもイランでも一般的でした。

インドでは、このような装置は、浅い陶器のトレイに薄い層の水を張り、夜空が見える屋外に設置されていた。底と側面は厚い干し草の層で断熱されていた。晴れた夜には、水は上向きの放射によって熱を失う。空気が穏やかで氷点下からそれほど離れていない場合、対流によって周囲の空気から得られる熱は水が凍るのに十分なほど低かった。^{[37] [38] [3]}

イランでは、このために、高い壁に囲まれた断熱性の高い素材の床の上に造られた水の反射プールからなる、大きく平らな氷のプールが作られました。高い壁は対流による温暖化を防ぎ、プールの壁の断熱素材は地面からの伝導熱を防ぎ、大きく平らな水面は蒸発と放射による冷却を可能にします。

放射冷却の基本的な 3 つのタイプは、直接、間接、蛍光です。

• 直接放射冷却- 直接放射冷却を最適化するように設計された建物では、建物の屋根が毎日の内部負荷を吸収するヒートシンクとして機能します。屋根は、夜空にさらされる最大の表面であるため、最高のヒートシンクとして機能します。夜空との放射熱伝達により、建物の屋根から熱が除去され、建物の構造が冷却されます。屋上池はこの戦略の一例です。屋上池の設計は、1977 年に Harold Hay が設計した Sky 熱システムの開発により人気を博しました。屋上池システムにはさまざまな設計と構成がありますが、概念はすべての設計で同じです。屋根は、水 (水を満たしたビニール袋または開いた池) をヒートシンクとして使用し、可動式断熱パネルのシステムにより、暖房または冷房のモードを調整します。夏の日中は、屋根の水は可動式断熱材によって太陽放射と周囲の空気温度から保護され、ヒートシンクとして機能して、天井を通して内部で発生した熱を吸収します。夜間にはパネルが収納され、屋上池と夜空の間の夜間放射が可能になり、蓄えられた熱が除去されます。冬には、このプロセスが逆転し、屋上池が日中に太陽放射を吸収し、夜間に下の空間に放出します。^{[39] [40]}
• 間接放射冷却- 熱伝達流体は、夜空との放射熱伝達を通じて建物構造から熱を取り除きます。この戦略の一般的な設計では、建物の屋根とラジエーターの表面の間にプレナムが設けられます。空気はプレナムから建物内に引き込まれ、ラジエーターで冷却され、建物構造の質量を冷却します。日中、建物の質量はヒートシンクとして機能します。
• 蛍光放射冷却- 物体を蛍光性にすることができます。その場合、物体は特定の波長の光を吸収しますが、他の選択された波長ではエネルギーを再び放射します。赤外線大気の窓（大気が異常に透明な周波数範囲）で熱を選択的に放射することにより、物体は効果的に宇宙空間をヒートシンクとして利用し、周囲の空気温度よりも大幅に低い温度まで冷却することができます。^{[41] [42] [43]}

• ヒートシールド
• 宇宙船の熱制御に使用される光学太陽光反射鏡
• パッシブ冷却
• 放射強制力
• シュテファン・ボルツマンの法則
• 地上アルベド効果
• 都市ヒートアイランド
• 都市の熱煙