Catch Key Points of a Paper ~0155~

論文のタイトル: A radiative cooling structural material（放射冷却構造材料）

著者: Tian Li*, Yao Zhai*, Shuaiming He*, Wentao Gan, Zhiyuan Wei, Mohammad Heidarinejad, Daniel Dalgo, Ruiyu Mi, Xinpeng Zhao, Jianwei Song, Jiaqi Dai, Chaoji Chen, Ablimit Aili, Azhar Vellore, Ashlie Martini, Ronggui Yang, Jelena Srebric, Xiaobo Yin, Liangbing Hu

雑誌: Science 

巻: 364, 760-763

出版年: 2019年

背景

1: 研究背景

建物は米国の総エネルギー需要の40%以上を占める

冷暖房は建物エネルギー使用の約48%を占める

冷却は熱力学第二法則により、加熱よりも困難

パッシブ放射冷却が建物のエネルギー効率向上に注目されている

2: 既存の課題

昼間の放射冷却は、可視光の吸収により困難

精密設計されたナノ構造や光学メタマテリアルが開発されている

しかし、建設に必要な規模での製造と適用が課題

3: 研究目的

木材を用いた多機能パッシブ放射冷却材料の開発

大規模製造可能なバルクプロセスによるスペクトル応答の制御

構造材料としての利用可能性の検証

方法

1: 材料設計

完全な脱リグニンと機械的圧縮による木材のエンジニアリング

セルロースナノファイバーの部分的配向構造の形成

可視光範囲での非吸収性と赤外線範囲での強い放射特性の実現

2: 光学特性評価

反射ヘイズスペクトルの測定（入射角8°）

赤外線範囲（5-25μm）での放射率スペクトル測定

フーリエ変換赤外分光法による吸収スペクトル分析

3: 冷却性能評価

アリゾナ州Cave Creekでの24時間連続熱測定

200mm×200mmサイズの冷却木材を使用

放射冷却パワーと冷却温度の同時測定

結果

1: 光学特性

可視光範囲で平均96%の高反射ヘイズを示す

赤外線範囲で高放射率（ほぼ1に近い）を示す

大気の透明窓（8-13μm）で強い放射を示す

2: 冷却性能

夜間63 W/m²、日中16 W/m²の放射冷却パワーを実現

24時間平均で53 W/m²の冷却パワーを達成

周囲温度より夜間9°C以上、正午4°C以上の冷却を実現

3: 機械的特性

天然木材と比較して8.7倍の引張強度（404.3 MPa）

10.1倍の靭性（3.7 MJ/m³）を実現

比強度は334.2 MPa cm³/gで、多くの構造材料を上回る

考察

1: 冷却メカニズム

セルロース構造による可視光の散乱と反射

OH基やC-H、C-O、C-O-C結合の振動による赤外線放射

大気の透明窓を利用した効率的な熱放射

2: 構造材料としての可能性

高い機械的強度と靭性により構造材料として有望

軽量性と高比強度が建築応用に適している

屋根材や外装材として利用可能

3: エネルギー効率への影響

16の米国都市でのシミュレーションを実施

古い中層アパートで平均35%の冷却エネルギー節約

新しい中層アパートで平均20%の冷却エネルギー節約

4: 研究の限界

長期屋外使用に対する耐久性の検証が必要

水、火、紫外線、生物因子に対する耐性向上が課題

冬季の暖房エネルギー増加の可能性

結論

多機能パッシブ放射冷却構造材料の開発に成功

高い冷却性能と機械的強度を両立

建築応用による大幅なエネルギー消費削減の可能性

将来の展望

耐久性向上と実環境での長期性能評価

カーボン排出とエネルギー消費削減への貢献が期待される