Slunce pomáhá s výzkumem chlazení vyzařováním

Na čerstvém vzduchu věda chutná nejlépe. Potvrdí to určitě všichni terénní výzkumníci zabývající se biologií, ekologií, klimatem a mnoha dalšími obory. Většinu času však současní vědci stráví před monitory počítačů a experimenty připravují v přesně řízených laboratorních podmínkách. Umožňují to současné technologie, které dokážou simulovat širokou paletu přírodních jevů. Jenže tato výhoda může být zároveň i limitem.

„Zabýváme se luminiscencí různých materiálů ve spektru slunečního záření a hledáme takové, které zpětně vyzáří co nejvíce přijaté energie,“ vysvětluje prof. Jan Valenta v zahradě Fyzikálního ústavu UK u svého přístroje. Jaksi mimochodem je oblečen do reflexního trička: „Zrovna to je jeden z materiálů, který tuto podmínku splňuje.“ Zvolená textilie zaručuje, že v tričku není horko. Nezanedbatelnou část z dopadajícího spektra totiž okamžitě vrací zpět do okolního prostředí na trochu jiných vlnových délkách. Materiál sám se tedy příliš nezahřívá a přispívá k tepelné pohodě svého majitele.

Stejný princip se dá uplatnit i ve větším měřítku. Představme si třeba budovu, jejíž fasáda nepropustí teplo dovnitř. V létě bude uvnitř příjemná teplota, aniž by bylo nutné aktivní chlazení. Energetická úspora je tu zřejmá. „Samozřejmě, že nejlepší by byla fasáda ze zrcadel, která vlastně všechny paprsky odrazí. Ale na ulici ve městě z takových budov by asi člověk žít nechtěl,“ pokračuje prof. Valenta v přiblížení oblasti svého zájmu: „Pro australské partnery hledáme materiál, který by fungoval na fasádách jako moje reflexní tričko. Nesmí oslňovat, ale zároveň by měl co nejvíce přijatého záření ihned emitovat do okolí.“

Luminiscentní materiály mají pro tento záměr vhodné předpoklady. Výzkum obvykle probíhá v laboratorních podmínkách, kdy se spektrometrem sleduje jejich chování v různých dopadajících spektrech. „Řekl jsem si, že pro tento případ není úplně logické používat umělé zdroje záření. Řada informací nám totiž kvůli tomu uniká a bylo by potřeba pro každý materiál provádět zbytečně mnoho měření. Sluneční spektrum je vlastně nenahraditelné. Pokud je použijeme jako zdroj záření pro spektrometry, získáme rychleji mnohem komplexnější informace o vlastnostech daného materiálu,“ poukazuje prof. Valenta na hlavní přednosti svého přenosného přístroje, který mezi řečí připravuje k použití. Další výhodou je, že dopadající sluneční spektrum v sobě už obsahuje různé „poruchy“ způsobené atmosférickými jevy, kosmickým zářením apod. Přesně v takových podmínkách totiž bude muset hledaný materiál fungovat.

Přenosné zařízení sestává ze dvou hlavních částí. „Kufřík“ URSON (Universal Radiometer and Spectrometer for Outdoor applicatioN) obsahuje především spektrometry, dále počítač pro přímé vyhodnocování dat a různé příslušenství.

Vlastní měřicí hlava LYRaE (Light Yield Radiometric Explorer) se umísťuje samostatně na stativ s ekvatoriální montáží. Její podstatnou součástí je kulová tzv. integrační dutina, v níž se sluneční paprsky rovnoměrně rozptylují a dopadají na zkoumaný vzorek materiálu. Ten je umístěn na otočném válečku, který umožňuje „přepínání“ mezi vzorkem a kalibrační bílou plochou. Propojení na spektrometry zajišťuje optický kabel. Motorek montáže vede LYRaE za Sluncem, a díky tomu je možné provádět měření po dlouhou dobu, aniž by se významně měnily parametry dopadajících paprsků.

Po krátké kalibraci vidíme přímo na displeji počítače, v jaké části spektra je připravený vzorek aktivní, tedy na jaké vlnové délce převážně vyzařuje energii přijímanou ze slunečního záření. Přepínání vzorku navíc umožňuje v reálném čase srovnání s kalibrační bílou.

Zcela nové zařízení rozhodně přispěje k úspěchu projektu a k podstatně rychlejšímu nalezení vhodných materiálů pro fasády australských budov. Je vysoce pravděpodobné, že se tento nápad později uplatní i jinde ve světě.

Podobný osud určitě čeká i přenosnou aparaturu, která má potenciál pro mnohé další aplikace. „Na začátku 20. století využívali fyzikové Slunce jako zdroj záření zcela běžně. Donedávna byly za některými okny karlovské budovy Fyzikálního ústavu patrné držáky pro zrcadla, která směřovala paprsky dovnitř do laboratoří. V tomto smyslu je mé zařízení tak trochu návratem ke kořenům,“ uzavírá prof. Valenta.

Přenosná měřicí aparatura vznikla v rámci projektu GAČR 23–06644S “Fluorescent Radiative-cooling Materials: Development, Testing and Applications.

První článek o měření s popsanou aparaturou je nyní v korektuře před zveřejněním v časopise AIP Advances (open access), kde byl editorem vybrán jako Featured Article. Viz doi: 10.1063/5.0235354.

OPMK