撒哈拉银蚁为何不怕热?
能与和谐统一的物理学定律相媲美的,就是经过千百年进化的生物体构造之美妙。
撒哈拉沙漠,是世界最大的沙质荒漠,气候条件恶劣。
撒哈拉银蚁
这里生活着一种身体呈现白色的蚂蚁,名叫“撒哈拉银蚁”。
为了躲避捕食者,这种蚂蚁时常在40多度高温下(地表温度可达70度)外出觅食,而令人称奇的是,觅食状态下的撒哈拉蚂蚁移动速度大概为855毫米每秒,一秒钟就能走47步。
“在自然条件下,热量只能从高温物体向低温物体转移,而不能由低温物体自动向高温物体转移。”热力学第二定律克劳修斯(Clausius)表述如上。
而当周遭环境本身就很热,而自身的高速奔跑又在产生热量的情况下,撒哈拉银蚁是如何实现散热的呢?
这引起了科学家们的兴趣。
研究发现,撒哈拉银蚁的散热冷源在大气层之外的太空,而实现这一点的关键在于其特殊的毛发。
撒哈拉银蚁毛发截面
撒哈拉银蚁毛发的横截面呈现三角形,能三棱镜一样工作,对阳光有着极强的反射作用,特别是最容易加热身体的近红外光。照射在它们身上的光线中,有90%会被它们的毛发反射掉,这样它们的身体不容易被加热。不仅如此,当身体热到一定程度的时候,这种毛发对电磁波谱的中红外光部分有着极强的发射性,这可以增强它们通过热辐射的形式释放身体多余热量。而这种辐射是直接通过红外大气透明窗口,发送到外太空中(零下200度)去。
这种散热方式,便是辐射制冷。
把一根铁棒的一端放在火上烤,你摸摸另一端会很烫,这就是热传导。冬天有风的位置比没有风的位置要冷,这就是热对流。把手放在火堆边上会感觉到热,这就是热辐射。当然,太阳照射是典型的热辐射现象。
而热辐射是三种传热方式中唯一不需要介质,可在真空环境中进行的。三种传热方式都严格遵循热力学第二定律——传热需要温度差。
而辐射制冷的基本原理是,直接绕开周遭的高温环境,只要辐射能力足够强,就可以直接把热量送去外太空。
更加精妙的是,在红外波段,大气层对8-13微米的电磁波是透明的(高透射率),这个波段也就被称为红外大气透明窗口。地球表面发出的在这个波段里面的电磁波都可以穿过大气层直接传到外太空。这个波段正好和地球上物体的热辐射波段吻合。这个吻合让地球上的物体(比如撒哈拉银蚁)和外太空直接换热变成可能。
基本原理已经阐释清楚,按照科学技术的常规发展逻辑,接下来,便是要想办法设计出可见光波段高反射率、红外波段高发射率的材料,实现既能发射掉太阳的照射带来的热量,又能将自身热量通过热辐射送出去。
不插电的被动制冷技术就此诞生。
2014,斯坦福大学范汕洄教授团队提出利用基于太空的日间辐射制冷技术,通过在物体表面设计制作辐射制冷膜,以达到制冷作用,并首次实现了无需额外能耗的日间辐射制冷技术。相关研究成果发表在《Nature》上。
这种结构在很多场合都有独特的应用前景。例如,将它们放在房顶,可以在中午阳光直射时,相较于没有纳米涂层,可以将房顶降温5度。这些纳米材料虽好,但是必须要在超净实验室里面完成整个制作过程,成本较高,制造相对复杂。
科学家在相关材料制备的工艺优化上一直在努力。
不久前,武汉中科先进技术研究院开发了一种新型辐射制冷涂层,通过微纳结构调控和涂层配方设计,达到适配太阳辐射波长同时提高8-13μm波段辐射能力,实现日间辐射制冷。
相关研究成果已经在储能罐、板房、仓库等场景试用,制冷降温效果明显。