Sıcak yaz günlerinde serinlemek için çoğunlukla klimalara başvuruyoruz. Ancak klimalar yalnızca bir odayı soğutmaz. İçeriden aldıkları ısıyı dışarı taşırken elektrik tüketir ve dış ortamı daha da ısıtır. Bu nedenle araştırmacılar uzun zamandır elektrik harcamadan çalışan alternatif soğutma yöntemleri üzerinde çalışıyor.
Bu yöntemlerden biri olan ışınımsal soğutma, ilk bakışta şaşırtıcı bir fikir sunuyor. Bir yüzey, sahip olduğu termal enerjiyi kızılötesi ışınım biçiminde gökyüzüne göndererek soğuyor. Üstelik uygun koşullarda sıcaklığını çevresindeki havanın sıcaklığının birkaç derece altına kadar düşürüyor.
Aslında Her Şey Işık Saçar!
Elimiz, telefonumuz, oturduğumuz sandalye ve çevremizde gördüğümüz diğer bütün cisimler elektromanyetik ışınım yayar. Çok sıcak cisimler görünür ışık da çıkarır. Örneğin akkor hâle gelen bir metal parçasını gözümüzle görebiliriz. Oda sıcaklığındaki cisimler ise enerjilerinin büyük bölümünü gözümüzün algılayamadığı kızılötesi dalga boylarında yayar.
Termal kameralar bu kızılötesi ışınımı algılar ve yüzeylerin sıcaklıklarını farklı renklerle gösterir. Ancak cisimler yalnızca ışınım yaymaz. Aynı zamanda çevrelerinden gelen ışınımı soğurur ya da yansıtır. Bu nedenle bir cismin soğuyup soğumayacağını yalnızca ne kadar ışınım yaydığına bakarak anlayamayız.
Isı, cisimler arasında üç temel yolla aktarılır. İlk yöntem iletimdir. Elimize aldığımız soğuk bir içecek, doğrudan temas nedeniyle elimizden ısı alır. İkinci yöntem konveksiyondur. Isınan hava yükselirken daha soğuk hava aşağı iner ve ortamda dolaşım oluşur. Üçüncü yöntem ise ışınımdır. Bu yöntemde enerji, elektromanyetik dalgalar aracılığıyla aktarılır ve maddi bir ortama ihtiyaç duymaz.
Gerçek yaşamda bu üç süreç çoğunlukla aynı anda gerçekleşir. Bir kalorifer peteği yakınındaki havayı konveksiyonla hareket ettirirken çevresine kızılötesi ışınım da gönderir. Fırın, yiyeceği hem sıcak havayla hem ışınımla ısıtır. Işınımsal soğutma sistemleri ise özellikle üçüncü aktarım biçiminden yararlanır.
Işınımsal Soğutma Nasıl Çalışır?
Atmosfer, yeryüzünden yükselen ısının tamamını uzaya bırakmaz. Su buharı, karbondioksit ve diğer gazlar bu enerjinin bir bölümünü soğurur. Ancak atmosferde, kızılötesi ışınımın daha kolay geçebildiği bir aralık bulunur. Bilim insanları buna atmosferik pencere adını verir.
Bir yüzey ısısını bu aralıktaki kızılötesi ışınım yoluyla yaydığında, enerjinin bir bölümü atmosferi aşarak uzaya ulaşır. Yüzey böylece enerji kaybeder ve soğur.
Bu olay özellikle açık gecelerde fark edilir. Gece boyunca dışarıda kalan bir otomobilin tavanı, çimenler ya da bir binanın çatısı bazen çevredeki havadan daha soğuk hâle gelir. Çünkü bu yüzeyler gökyüzüne sürekli ısı gönderir. Gökyüzünden aldıkları enerji, kaybettikleri enerjiden az kaldığında sıcaklıkları düşer.
Bulutlu ve nemli havalarda ise bu süreç zayıflar. Bulutlar ve havadaki su buharı, yüzeyden yükselen kızılötesi ışınımın daha büyük bir bölümünü tutar. Ardından bu enerjinin bir kısmını yeniden yeryüzüne gönderir. Bu nedenle ışınımsal soğutma açık ve kuru gecelerde daha iyi çalışır.
Rüzgâr da soğumayı etkiler. Çevredeki sıcak havayı soğuk yüzeye taşıyan rüzgâr, yüzeyin yeniden ısı kazanmasına yol açar. Kısacası bir yüzey, çevresinden aldığı ısıdan daha fazlasını gökyüzüne gönderdiği sürece soğumaya devam eder.
Beyaz Boyalar Klimaların Yerini Alabilir mi?
Işınımsal soğutmanın en kullanışlı uygulamalarından biri, çatıları ve bina yüzeylerini kaplayan özel boyalardır. Geleneksel beyaz boyalar güneş ışığının önemli bir bölümünü yansıtır. Ancak piyasadaki beyaz boyaların çoğu gelen güneş enerjisinin yüzde 80 ile 90’ını geri yansıtır. Geri kalan enerjiyi soğuran yüzey, doğrudan güneş altında çevresindeki havadan daha sıcak hâle gelir.
Purdue Üniversitesinden araştırmacılar bu sorunu aşmak için baryum sülfat parçacıklarından yararlanan son derece beyaz bir kaplama geliştirdi. Boyanın içinde farklı büyüklüklerde parçacıklar kullandılar. Bu parçacıklar, Güneş’ten gelen ışınımın geniş bir dalga boyu aralığında saçılmasını sağladı. Böylece baryum sülfat içeren akrilik boya, gelen güneş ışınımının yüzde 98,1’ini geri yansıttı.
Araştırmacılar ayrıca baryum sülfat parçacıklarından oluşan bir filmi açık havada test etti. Bu film güneş ışınımının yüzde 97,6’sını yansıttı ve kendi ısısını kızılötesi ışınım yoluyla gökyüzüne gönderdi. Deney sırasında kaplamanın sıcaklığı, doğrudan güneş altında çevredeki havadan 4,5 santigrat dereceden fazla aşağıya indi. Araştırmacılar metrekare başına ortalama 117 wattlık bir soğutma gücü ölçtü.
Sonuç Olarak
Bu sonuçlar, doğru hazırlanmış beyaz bir kaplamanın yalnızca güneş ışığını yansıtmakla kalmayıp yüzeyi çevresindeki havadan daha soğuk hâle getirebileceğini gösteriyor. Ancak bu tür boyalar klimaların yerini bütünüyle alamaz. Nem, bulutluluk, hava dolaşımı, binanın yalıtımı ve çatının yapısı soğutma performansını etkiler.
Yine de bu kaplamalar binaların gün boyunca daha az ısınmasını sağlayarak klimaların yükünü azaltabilir. Çatılar ve dış cepheler daha serin kaldığında iç mekânları soğutmak için daha az elektrik gerekir.
Okuma Önerisi: Rüzgar Yakalayıcı: Klimaya Alternatif Antik Mühendislik Başarısı
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
- Xiangyu Li ve çalışma arkadaşları, “Ultrawhite BaSO₄ Paints and Films for Remarkable Daytime Subambient Radiative Cooling”, ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, Cilt 13, Sayı 18, s. 21733–21739. DOI:
10.1021/acsami.1c02368.
Matematiksel
