저렴한 무전원 패시브 냉각 시스템, 주변 온도보다 40°C 낮게 냉각

• 새 패시브 냉각 시스템, 연료 동력 없이 더운 환경에서 효과적 냉각 제공
• 건조 환경에서 주변 온도보다 최대 40°C 낮게 냉각 가능
• 기존 냉각 시스템 보완해 더운 오프그리드 지역에서 백신·식품 보관 가능

기존 냉각 메커니즘은 유체 냉각과 증기 압축 시스템에 의존하는데, 이는 꽤 복잡하고 비쌉니다. 반면 대기 복사 냉각 같은 패시브 냉각 시스템은 지구 대기를 중적외선 파장에서 사용해 온도를 크게 낮춥니다.

수년간 전 세계 연구자들이 패시브 냉각 시스템 개발을 시도해 왔고, 지금까지 복잡한 포토닉 기기를 사용해 이런 시스템을 구축했지만 제조 비용이 비싸 널리 사용될 수 없었습니다. 대부분 모든 파장을 완벽히 반사하고 중적외선 복사를 방출하도록 개발되었습니다. 그러나 이를 달성하려면 여러 물질 층을 추가하고 두께를 나노미터 정밀도로 제어해야 합니다.

이제 MIT 연구자들이 연료 동력 없이 더운 맑은 날 냉각을 제공하는 새롭고 저렴한 패시브 시스템을 개발했습니다. 이는 다른 냉각 시스템을 보완해 오프그리드 지역에서 의약품과 식품을 저장/보존하는 데 사용될 수 있습니다.

이론적으로 시스템은 주변 온도보다 최대 20°C 낮게 냉각할 수 있습니다. 그러나 시연에서 연구자들은 6°C 냉각을 달성했습니다. 온도를 더 낮추려면 기존 열전 냉각이나 냉동 시스템을 사용할 수 있습니다.

작동 원리

새 패시브 냉각 시스템은 단순히 직사광선을 차단합니다. 하늘을 가로지르는 태양 경로를 덮도록 90도 각도에 놓인 작은 스트립을 사용합니다. 이는 추적 장치의 필요성을 없애줍니다.

광택 알루미늄, 저렴한 플라스틱 필름, 단열재를 결합해 개발한 단순한 흰색 기기가 중적외선 영역에서 복사로 열을 충분히 방출하게 합니다. 더 구체적으로 지구 주변 온도 근처 육상 물체의 복사 방출과 8~13마이크로미터 파장 사이의 스펙트럴 중첩을 활용합니다.

시스템 위에 우산을 놓고 단열재로 보완해 낮 동안 냉각을 더 효과적으로 만들었습니다. 야외 실험을 수행한 결과 시스템이 직사광선을 효과적으로 차단하면서 중적외선 파장을 하늘로 지속적으로 방출함을 확인했습니다.

참조: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-07293-9 | MIT

몇십 년 전만 해도 과학자들은 가열을 줄이는 시스템만 개발해 왔습니다. 하지만 이제 그늘과 보조 빛 여과 메커니즘을 영리하게 사용해 온도를 낮추고 있습니다.

한계와 응용

이미지 출처: Bikram Bhatia / MIT

시스템은 습한 대기에서 제대로 작동하지 않습니다. 공기를 통한 적외선 방출량을 줄여 냉각량을 주변 온도보다 20°C로 제한합니다. 그러나 환경이 건조하면 최대 40°C 냉각을 얻을 수 있습니다.

또한 이 시스템으로 집이나 건물 전체를 냉각할 수는 없습니다. 식품과 의약품을 더운 오프그리드 지역에서 보관하는 냉장 용도로만 사용할 수 있습니다. 이 접근법이 필요한 수준까지 온도를 완전히 낮추기엔 충분히 강력하지 않지만, 기존 냉각 시스템의 부하를 줄여 마지막 냉각 단계만 제공하면 됩니다.

집광형 광전지 시스템에도 사용할 수 있습니다. 특수 거울이 태양광을 태양전지에 집중시켜 효율을 높이는 시스템인데, 종종 과열되어 정기적 열 관리가 필요합니다. 패시브 냉각 시스템이 이 가열 문제를 쉽게 제어해 능동적 열 관리의 필요성을 없앨 수 있습니다.

참고: 급진적 현대화 없으면 에어컨이 2100년까지 지구를 0.5도 더 덥게 만든다

향후 몇 년간 연구자들은 시스템을 개선하려 시도할 것입니다. 가장 큰 과제는 외부 공기에서 전체 시스템이 과도하게 가열되는 것을 방지할 수 있는 단열재를 발견하는 것입니다.