El Nino’lar Eyyam-ı Bahur’lar derken bu yaz son derece sıcak geçti. Ülkemizin büyük bir bölgesi içinse klima artık bir tercih meselesi olmaktan çıkıp zorunluluk haline geldi. Ancak klimalar sıcak yaz günlerinde imdadımıza koşsa da çok fazla enerji tüketiyor. Örneğin 2022 yılında ABD’deki enerji tüketiminin %10’u havayı soğutmak için kullanıldı. Bu oran, yadsınamayacak ölçüde büyük bir oran.
Pahalılığın ve enerji tüketiminin artması, ısıyı azaltmanın alternatif yollarını düşünmemizi gerektiriyor. Ve öyle bir yol var ki, bir nesnenin sıcaklığını düşürmek için enerji harcamamıza gerek kalmıyor. Bu yönteme ışınımsal soğutma (radiative cooling) deniyor.
Doğru malzemeleri kullanarak bir nesnenin emdiğinden daha fazla enerjiyi yaymasını sağlamak mümkün. Böylece nesnenin sıcaklığı birkaç derece düşmüş oluyor. “Bir nesne nasıl emdiğinden daha fazla enerji yayar” diye düşündüyseniz çok normal. Bu fikir her ne kadar saçma gibi görünse de arkasında fiziğin gücü var.
Aslında Her Şey Işık Saçar!
Evet, yanlış okumadınız. Elinizdeki telefon, elleriniz, oturduğunuz sandalye ve diğer her şey aslında ışık saçmaktadır. Mesela ampulleri düşünelim. Bir ampul nasıl ışık saçar? İçerisindeki filament, elektrik akımı ile ısınır ve akkor hale geçer. Ancak ısınan nesnelerin ışık saçması durumuna hepimiz aşinayız. O halde nasıl oluyor da oturduğunuz sandalye ışıl ışıl olabiliyor?
Bu noktada ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu hatırlamakta fayda var. Dolayısıyla ışığın bir spektrumu vardır. Gözlerimiz bu spektrumun dalga boyu 400 ile 700 nanometre arasındaki bölgesine duyarlıdır. Ve bu bölgeye görünür ışık deriz. Bir de bu spektrumda göremediğimiz dalga boyları vardır. İşte sandalyemizin ya da ellerimizin ışıl ışıl olduğunu spektrumun kızılötesi adını verdiğimiz bir bölgesinde görebiliriz.
Nesnelerin diğer nesnelerle termal etkileşimde olabilmesinin üç yolu vardır. Aralarından en aşina olduğumuz yöntem, iletim yoluyla ısı transferidir. Bu yöntemde temas halinde olan iki ya da daha fazla nesne vardır. Isı, iletim yoluyla sıcak olan nesneden soğuk olana geçer ve denge sağlanır. Örneğin avucunuzdaki buz, elinizden iletim yoluyla ısı enerjisi kazandığı için erir.
İkinci ısı transfer yöntemi ise konveksiyondur. Bu yöntem sadece sıvılar ve gazlar için geçerlidir. Çünkü ısınan maddenin yer değiştirmesi söz konusudur. Buna örnek olarak doğal gaz peteklerini verebiliriz. Petekler yere yakın konumlandırılır. Çünkü aşağıdaki hava ısındıkça yoğunluğu düşer. Yoğunluğu düşen sıcak hava yükselir, soğuk hava ise alçalır. Böylece oda eşit bir şekilde ısınmış olur.
Üçüncü ve bugünkü sorumuza cevap olacak yöntemse ışıma (radyasyon) yoluyla ısı transferidir. Bir nesne kızılötesi ışıma yaptığında diğer nesneler bu radyasyonu emebilir. Örneğin fırın tam olarak bu prensiple çalışır.
İşin Püf Noktası Yansıtıcılık ve Emisyonda Gizli
Işınımsal soğutmanın nasıl çalıştığını anlamak için değinmemiz gereken iki önemli kavram vardır: Yansıtıcılık ve emisyon. Emisyon, yansıtıcılığın tam tersidir. Örneğin bir alüminyum folyo ışığın %88’ini yansıtırken %12’sini emer. Emdiği %12’lik kısım alüminyum folyonun ısınmasına sebep olur.
Hem yansıtıcılık hem de emisyon, ışığın dalga boyuna bağlıdır. Bir nesnenin görünür ışıkta çok yansıtıcı olmaması elektromanyetik spektrumun diğer bölgelerinde de yansıtıcı olmadığı anlamına gelmez.
Aslında soğuk kış gecelerinde ışınımsal soğutma olayını deneyimleriz. Kış gecelerinde gökyüzüne bakarak soğuk olup olmayacağını anlayabiliriz. Nasıl mı? Bulutsuz bir gecede yeryüzü kızılötesi ışınım yapar. Bu nedenle yeryüzünün sıcaklığı düşer. Ancak elbette yeryüzündeki tüm ısı enerjisi bu yolla kaçmaz. Atmosferdeki karbondioksit gibi moleküller kızılötesi ışınımları yakalar. Bu da sera etkisine sebep olur.
Bulutsuz bir gecede sadece 8-13 mikrometre aralığındaki kızılötesi ışınımlar uzaya kaçabilir. Bu aralığa kızılötesi pencere denmektedir. Bu nedenle bulutsuz kış geceleri daha soğuktur. Bulutlu gecelerde ise bulutlar tıpkı bir battaniye görevi görerek ısı enerjisinin uzaya kaçmasını engeller.
Bir nesnenin sıcaklığının düşmesi için ısı enerjisini başka bir maddeye aktarması gerekir. Örneğin klimalar odanın içini soğuturken dışarıyı ısıtır. İşte ışınımsal soğutmayla bir nesnenin sıcaklığını düşürmenin yolu, uzaya ısı vermekten geçer.
Kendi Işınımsal Soğutma Panelimizi Yapalım!
Geceleri Güneş olmadığı için bir şeyleri soğutmak daha kolaydır. Fakat gündüzleri Güneş her şeyi ısıtır ve bu da işimizi zorlaştırır. Buna rağmen ışınımsal soğutma yoluyla nesneleri soğutabiliriz. Örneğin doğru malzemelerle yapacağımız bir panel belli oranda fayda sağlayacaktır. Bunun için görünür ışıkta yüksek yansıtıcılığa sahip malzemeler kullanmamız gerekir. Bu sayede Güneş kaynaklı ısınmaların önüne geçebiliriz.
Yanı sıra kızılötesinde özellikle de 8-13 mikrometre dalga boyunda yüksek emisyona sahip malzemeler kullanmalıyız. Böylece soğutmak istediğimiz nesne, ortama ısı vererek ortam sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa sahip olacaktır.
Bu yöntemi evde basit malzemelerde test etmek mümkündür. Örneğin görseldeki gibi alüminyum folyonun üzerine bant yapıştırarak ışınımsal soğutmayı gözlemleyebiliriz. Folyo Güneş ışığını yansıtıp ısınmanın önüne geçer. Folyoya yapıştırdığımız bant ise folyonun kızılötesinde daha yüksek emisyona sahip olmasını sağlar. Görselde folyonun üzerinde bant olan bölge daha sıcaktır. Bu da folyonun o bölgesinin daha fazla ısı yaydığını gösteriyor.
Elbette evimizi soğutmak için en iyi yöntem hala klimalar. Zira yukarıdaki örnekte sıcaklık farkı çok az olacaktır. Ancak özel beyaz boyalar, nanopartiküller ve hidrojeller ile daha iyi soğutma yöntemleri de mevcut. Bu sayede görünür ışığı yansıtan ve kızılötesinde emisyonu yüksek kıyafetler üretmek mümkün. Ve işin güzel yanı, bunu yapmak için hiç enerjiye ihtiyacımızın olmamasıdır.
Kaynaklar ve İleri Okumalar
- How to Cool an Object Without Using Any Energy ; Bağlantı: How to Cool an Object Without Using Any Energy | WIRED ; Yayınlanma tarihi: 25 Ağustos 2023
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
