امروزه یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های جهانی، مصرف بالای انرژی برای خنک‌سازی ساختمان‌ها است. در این میان استفاده از تکنولوژی های جدید و مصالح ساختمانی مانند رنگ نما بیشتر خودنمایی می کند. از سوی دیگر با افزایش دمای کره زمین و گسترش شهرنشینی استفاده از سیستم‌های تهویه مطبوع و کولر به شدت رشد کرده است و این امر نه‌تنها هزینه‌های انرژی را بالا برده است بلکه به تولید گازهای گلخانه‌ای و تشدید پدیده‌ی جزیره حرارتی شهری (Urban Heat Island) نیز دامن زده است. در این میان، رنگ‌های معمولی که بر سطح بام‌ها و نماهای ساختمانی استفاده می‌شوند، بخش قابل‌توجهی از نور خورشید را جذب و به گرما تبدیل می‌کنند. رنگ‌های سفید رایج در بازار حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد نور خورشید را بازتاب می‌دهند و همچنان مقداری انرژی حرارتی را در خود نگه می‌دارند. بنابراین نیاز مبرمی به یافتن راه‌حل‌های غیرفعال (Passive) برای خنک‌سازی ساختمان‌ها بدون مصرف انرژی الکتریکی احساس می‌شود؛ راه‌حل‌هایی که بتوانند بدون هیچ‌گونه مصرف برق دمای سطوح را کاهش دهد.

در پاسخ به همین نیاز، پژوهشگران دانشگاه پردو (Purdue University) به سرپرستی پروفسور شیولین روان (Xiulin Ruan) رنگی بر پایه‌ی ذرات سولفات باریم (BaSO4) توسعه داده‌اند که با بازتاب خیره‌کننده‌ی ۹۸.۱ درصد نور خورشید به عنوان سفیدترین رنگ ثبت‌شده در جهان شناخته شده است. ایده‌ی اصلی این فناوری بر مبنای پدیده‌ای به نام خنک‌سازی تابشی(Radiative Cooling) استوار است: این رنگ علاوه بر بازتاب تقریباً تمام نور خورشید، گرمای اضافی سطح را در قالب تابش مادون‌قرمز از طریق یک پنجره‌ شفاف در جو زمین مستقیماً به فضای سرد بیرونی ارسال می‌کند. نتیجه‌ شگفت‌انگیز این است که سطح پوشش‌داده‌شده با این رنگ حتی در اوج تابش آفتاب، ۴.۵ درجه‌سانتی‌گراد زیر دمای محیط خنک‌تر می‌شود و این خنک شدن بدون مصرف حتی یک وات برق صورت می‌گیرد. این پژوهش در سال ۲۰۲۱ در مجله‌ معتبر ACS Applied Materials & Interfaces منتشر شده است و جزئیات طراحی، ساخت و عملکرد این رنگ انقلابی را به تفصیل شرح می‌دهد و نشان می‌دهد که چگونه یک فناوری ساده مانند رنگ سفید نمای ساختمانی می‌تواند نقش بزرگی در کاهش مصرف انرژی و مبارزه با تغییرات اقلیمی ایفا کند. ما در این مقاله از مجله آموزشی مرمرفام متن مقاله و همچنین ترجمه فارسی آن را جهت کسب اطلاعات به‌روز  و بیشتر در ادامه ارائه نموده‌‌ایم.

رنگ‌ فوق‌سفید و خنک کننده سولفات باریم (BaSO4) برای خنک‌سازی چشمگیر روزانه و در دمای محیط

خنک‌سازی تابشی یک راهبرد خنک‌سازی غیرفعال است که به دلیل پتانسیل آن در کاهش مصرف انرژی، توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده است. در این پژوهش، ما رنگ‌ها و فیلم‌های بر پایه نانوذرات سولفات باریم ( BaSO4) را گزارش می‌کنیم که عملکرد خنک‌سازی تابشی روزانه قابل توجهی به دست می‌آورند. رنگ فوق‌سفید BaSO4 بازتاب خورشیدی 98.1 درصد را نشان می‌دهد که بالاترین بازتاب گزارش‌شده برای هر نوع رنگی است. این امر به گاف نوار الکترونی بالای BaSO4 (تقریباً 6 الکترون‌ولت) نسبت داده می‌شود که جذب فرابنفش را به حداقل می‌رساند، و توزیع اندازه ذرات گسترده که پراکندگی خورشیدی را به حداکثر می‌رساند. اندازه‌گیری‌های میدانی در فضای باز نشان می‌دهد که این رنگ قادر است خنک‌سازی زیر دمای محیط بیش از 4.5 درجه سلسیوس در نور مستقیم خورشید و توان خنک‌سازی بیش از 117 وات بر مترمربع را به دست آورد. این پژوهش، رنگ BaSO4 را به عنوان یک راه‌حل عملی و مقیاس‌پذیر برای خنک‌سازی تابشی غیرفعال ساختمان‌ها معرفی می‌کند.

خنک‌سازی تابشی غیرفعال به عنوان یک رویکرد بهره‌ور از نظر انرژی برای کاهش دمای ساختمان‌ها بدون مصرف برق، توجه فراوانی را به خود جلب کرده است. در این پژوهش، محققان یک فرمولاسیون رنگ فوق‌سفید بر پایه نانو ذرات سولفات باریم (BaSO4) با توزیع اندازه ذرات گسترده توسعه دادند. پوشش حاصل به بازتاب خورشیدی فوق‌العاده بالای 98.1 درصد دست یافت که بالاترین مقدار ثبت‌شده برای هر نوع رنگی تا به امروز است. آزمایش‌های میدانی نشان داد که این رنگ فوق‌سفید قادر است سطوح را تا 4.5 درجه سلسیوس زیر دمای محیط در نور مستقیم خورشید خنک کند و بیش از 10 درجه سلسیوس خنک‌تر از دمایی باشد که رنگ‌های سفید تجاری معمولی ایجاد می‌کنند.

نوآوری کلیدی در انتخاب سولفات باریم به عنوان ماده رنگدانه‌ای نهفته است که دارای انرژی گاف نواری بسیار بالایی است و در نتیجه جذب بسیار کمی از نور فرابنفش دارد. علاوه بر این، توزیع اندازه ذرات گسترده (از 200 نانومتر تا 3 میکرومتر) پراکندگی کارآمد در سراسر طیف خورشیدی را ممکن می‌سازد. فرمولاسیون رنگ از یک سیستم بایندر اکریلیک استاندارد استفاده می‌کند که آن را با زیرساخت‌ها و روش‌های اعمال رنگ موجود سازگار می‌کند.

محققان آزمایش‌های گسترده‌ای در فضای باز در شهر وست لافایت ایندیانا در فصول مختلف و شرایط آب‌وهوایی متفاوت انجام دادند. تصویربرداری حرارتی مادون قرمز عملکرد ثابت خنک‌سازی زیر دمای محیط را تأیید کرد. توان خنک‌سازی رنگ تقریباً 117 وات بر مترمربع تخمین زده شد که به طور قابل توجهی بالاتر از بیشتر مواد خنک‌سازی تابشی گزارش‌شده پیشین است.

این فناوری پیامدهای عمیقی برای صنعت ساختمان دارد. اگر بر روی سطح سقفی به مساحت تقریباً 93 مترمربع (یک خانه معمولی آمریکایی) اعمال شود، توان خنک‌سازی معادل 10 کیلووات خواهد بود که قدرتمندتر از اکثر سیستم‌های تهویه مطبوع مرکزی مسکونی است. محققان تخمین می‌زنند که پذیرش گسترده این فناوری می‌تواند مصرف انرژی خنک‌سازی در ساختمان‌ها را در اقلیم‌های گرم 30 تا  40 درصد کاهش دهد و سهم قابل توجهی در تلاش‌های جهانی برای کاهش انتشار کربن داشته باشد.

این رنگ دوام عالی در طول یک دوره شش‌ماهه قرارگیری در فضای باز از خود نشان داد و بازتاب بالای خود را با حداقل تخریب حفظ کرد. خواص چسبندگی، مقاومت در برابر هوازدگی و خواص مکانیکی آن قابل مقایسه با رنگ‌های تجاری مرسوم نمای خارجی بود.

مقدمه

خنک‌سازی تابشی غیرفعال به عنوان یک رویکرد بدون مصرف انرژی و بدون انتشار آلایندگی برای مدیریت حرارتی در ساختمان‌ها ظهور کرده است. سیستم‌های خنک‌سازی مرسوم مانند کولرهای گازی تقریباً 15 درصد از مصرف برق جهانی را تشکیل می‌دهند و سهم قابل توجهی در انتشار گازهای گلخانه‌ای دارند. خنک‌سازی تابشی از پنجره شفافیت اتمسفری در محدوده طول موج  8 تا 13 میکرومتر بهره‌برداری می‌کند که از طریق آن تابش حرارتی می‌تواند مستقیماً به فضای بیرونی (تقریباً 3 کلوین) منتشر شود و از اتمسفر عبور کند.

تلاش‌های پیشین در مواد خنک‌سازی تابشی عمدتاً بر ساختارهای فوتونیک چندلایه پیچیده، فراماده‌ها و فیلم‌های پلیمری متمرکز بوده‌اند. در حالی که این رویکردها خنک‌سازی زیر دمای محیط را نشان داده‌اند، معمولاً گران‌قیمت هستند، ساخت آنها در مقیاس بزرگ دشوار است و به راحتی بر زیرساخت ساختمانی موجود قابل اعمال نیستند. یک راه‌حل مبتنی بر رنگ ایده‌آل خواهد بود زیرا می‌تواند با روش‌های رنگ‌آمیزی مرسوم بر تقریباً هر سطحی اعمال شود.

رنگ‌های سفید پیشین شامل آنهایی که بر پایه TiO2،  CaCO3و ZnO هستند، بازتاب خورشیدی در محدوده 80 تا 95.5 درصد به دست آورده‌اند که برای دستیابی به خنک‌سازی ثابت روزانه زیر دمای محیط ناکافی است. جذب نور فرابنفش توسط TiO2 (گاف نواری تقریباً الکترون‌ولت) یک محدودیت قابل توجه است زیرا بخشی از تابش خورشیدی فرودی را به جای بازتاب به گرما تبدیل می‌کند.

نویسندگان فرض کردند که انتخاب یک ماده رنگدانه‌ای با انرژی گاف نواری بسیار بالا، جذب فرابنفش را به حداقل رسانده و بازتاب کلی خورشیدی را به حداکثر می‌رساند و خنک‌سازی روزانه زیر دمای محیط را در یک فرمولاسیون رنگ ساده ممکن می‌سازد.

مواد و روشها

محققان BaSO4 را بر اساس گاف نوار الکترونی فوق‌عریض آن (تقریباً 6 الکترون‌ولت) به عنوان ماده رنگدانه‌ای اصلی انتخاب کردند که آن را اساساً نسبت به کل بخش فرابنفش طیف خورشیدی شفاف می‌سازد. از نانوذرات تجاری BaSO4 با توزیع اندازه ذرات گسترده در محدوده تقریبی 200 نانومتر تا 3 میکرومتر استفاده شد. این توزیع اندازه گسترده عمداً انتخاب شد زیرا اندازه‌های مختلف ذرات، طول موج‌های مختلف نور را بر اساس نظریه پراکندگی می (Mie) به مؤثرترین شکل پراکنده می‌کنند. ذرات کوچک‌تر ( 200 تا  400 نانومتر) طول موج‌های کوتاه‌تر (فرابنفش و مرئی) و ذرات بزرگ‌تر (1 تا 3 میکرومتر) طول موج‌های بلندتر (مادون قرمز نزدیک) را پراکنده می‌کنند.

رنگ با پراکنش ذرات BaSO4 در بایندر رزین اکریلیک با غلظت حجمی رنگدانه (PVC) تقریباً  60 درصد فرموله شد. غلظت حجمی بالای رنگدانه برای به حداکثر رساندن پراکندگی نور و حفظ خواص مکانیکی قابل قبول ضروری بود. افزودنی‌های استاندارد رنگ شامل پراکنش‌کننده‌ها، کف‌زداها و اصلاح‌کننده‌های رئولوژیکی برای اطمینان از خواص اعمال مناسب به کار رفتند.

خواص نوری رنگ با استفاده از اسپکتروفتومتر UV-Vis-NIR مجهز به کره انتگرال‌گیر برای اندازه‌گیری بازتاب طیفی در سراسر طیف خورشیدی (0.25 تا 2.5 میکرومتر) و اسپکترومتر مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) برای اندازه‌گیری تابش‌پذیری در پنجره شفافیت اتمسفری مادون قرمز میانی (8 تا 13 میکرومتر) مشخص شدند.

عملکرد خنک‌سازی در فضای باز بر روی سقف یک ساختمان در دانشگاه پردو در وست لافایت ایندیانا (40.5  درجه شمالی) اندازه‌گیری شد. نمونه‌های آزمایشی بر روی عایق فوم پلی‌استایرن قرار گرفتند تا انتقال حرارت هدایتی از زیر به حداقل برسد. از ترموکوپل‌های نوع T برای ثبت دمای سطح در فواصل یک‌دقیقه‌ای استفاده شد. یک پایرانومتر تابش خورشیدی ورودی را اندازه‌گیری کرد. نمونه‌های شاهد پوشش‌داده‌شده با رنگ سفید تجاری (بر پایه TiO2) همزمان برای مقایسه آزمایش شدند. اندازه‌گیری‌ها در فصول مختلف و شرایط آب‌وهوایی متفاوت شامل آسمان صاف، نیمه‌ابری و رطوبت بالا انجام شدند.

جمع بندی و نتیجه‌گیری

این پژوهش نشان می‌دهد که رنگ فوق‌سفید بر پایه BaSO4 پیشرفت قابل توجهی در فناوری خنک‌سازی تابشی غیرفعال برای ساختمان‌ها را نشان می‌دهد. یافته‌های کلیدی به شرح زیر خلاصه می‌شوند:

1. انتخاب BaSO4 به عنوان رنگدانه بر اساس گاف نواری فوق‌بالای آن (تقریباً الکترون‌ولت)، جذب فرابنفشی را که بازتاب رنگ‌های سفید مرسوم بر پایه TiO2 را محدود می‌کند، به طور مؤثر حذف می‌کند.
2. توزیع اندازه ذرات گسترده (200 نانومتر تا 3 میکرومتر) پراکندگی خورشیدی را در سراسر طیف کامل خورشیدی به حداکثر می‌رساند و بازتاب خورشیدی رکورددار 98.1 درصد را به دست می‌آورد.
3. رنگ خنک‌سازی واقعی روزانه زیر دمای محیط 4.5 درجه سلسیوس زیر دمای محیط حتی تحت تابش اوج خورشیدی با توان خنک‌سازی تقریباً  وات بر مترمربع به دست می‌آورد.
4. فرمولاسیون رنگ بر پایه مواد تجاری موجود و شیمی بایندر اکریلیک استاندارد است که آن را با فرآیندهای تولید و زیرساخت رنگ‌آمیزی موجود سازگار می‌کند.
5. صرفه‌جویی بالقوه انرژی قابل توجه است: برای یک سقف مسکونی معمولی، توان خنک‌سازی معادل بیش از 10 کیلووات است که به طور بالقوه هزینه‌های تهویه مطبوع را  30 تا 40 درصد در اقلیم‌های گرم کاهش می‌دهد.
6. این فناوری می‌تواند سهم معناداری در مبارزه با گرمایش جهانی از طریق کاهش هم مصرف مستقیم انرژی و هم اثر جزیره حرارتی شهری داشته باشد.

نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که کارهای آینده باید بر مطالعات دوام بلندمدت بیش از چندین سال، بهینه‌سازی فرمولاسیون‌ها برای مناطق اقلیمی مختلف، بررسی نسخه‌های رنگی که بازتاب بالای مادون قرمز نزدیک را حفظ می‌کنند، و تحلیل فنی-اقتصادی برای استقرار تجاری در مقیاس بزرگ تمرکز کنند.

Ultra white BaSO₄ Paints and Films for Remarkable Daytime Sub-ambient Radiative Cooling

Authors: Xiangyu Li, Joseph Peoples, Peiyan Yao, and Xiulin Ruan

Journal: ACS Applied Materials & Interfaces, P 21733–21739, Vol. 13, Issue 18, 2021

DOI: 10.1021/acsami.1c02368

Abstract

Radiative cooling is a passive cooling strategy that has received growing attention due to its potential to reduce energy consumption. In this work, we report BaSO4 nanoparticle-based paints and films that achieve remarkable daytime radiative cooling performance. The ultra-white BaSO4 paint demonstrates a solar reflectance of , which is the highest reflectance reported for any paint. This is attributed to the high electron band gap of ,BaSO4 which minimizes ultraviolet absorption, and a broad particle size distribution that maximizes solar scattering. Outdoor field measurements show that the paint can achieve sub-ambient cooling of more than 4.5∘ C under direct sunlight and a cooling power exceeding 117 W/m^2. This work establishes paint as a practical and scalable solution for passive radiative cooling of buildings.

Introduction

Passive radiative cooling has emerged as a promising zero-energy, zero-emission approach to thermal management in buildings. Conventional cooling systems, such as air conditioners, account for approximately 15% of global electricity consumption and contribute significantly to greenhouse gas emissions. Radiative cooling exploits the atmospheric transparency window in the wavelength range 8 of 13μm ) through which thermal radiation can be emitted directly to outer space (∼3K) bypassing the atmosphere.

Previous efforts in radiative cooling materials have primarily focused on complex multilayer photonic structures, metamaterials, and polymer-based films. While these approaches have demonstrated sub-ambient cooling, they are typically expensive, difficult to manufacture at scale, and not easily applicable to existing building infrastructure. A paint-based solution would be ideal because it can be applied to virtually any surface using conventional painting methods.

Prior white paints, including those based on TiO2, CaCO3 and ZnO, have achieved solar reflectances in the range of 80-95.5%, which is insufficient for achieving consistent daytime sub-ambient cooling. The absorption of ultraviolet light by TiO2 (band gap ∼ 3.2eV ) is a significant limitation, as it converts a portion of incident solar radiation into heat rather than reflecting it.

The authors hypothesized that selecting a pigment material with a very high band gap energy would minimize UV absorption and maximize overall solar reflectance, enabling daytime sub-ambient cooling in a simple paint formulation.

Materials and Methods

The researchers selected BaSO4 as the primary pigment material based on its ultrawide electronic band gap of approximately 6, which renders it essentially transparent to the entire UV portion of the solar spectrum. Commercial BaSO4 nanoparticles with a broad particle size distribution ranging from approximately 200nm to 3 μm were used. This broad size distribution was intentionally chosen because different particle sizes scatter different wavelengths of light most effectively according to Mie scattering theory. Smaller particles (∼200-400 nm) scatter shorter wavelengths (UV and visible), while larger particles 1- 3 μm scatter longer wavelengths (near-infrared).

The paint was formulated by dispersing BaSO4 particles in an acrylic resin binder at a pigment volume concentration (PVC) of approximately 60% . The high PVC was necessary to maximize light scattering while maintaining acceptable mechanical properties. Standard paint additives including dispersants, defoamers, and rheology modifiers were incorporated to ensure good application properties.

The optical properties of the paint were characterized using a UV-Vis-NIR spectrophotometer equipped with an integrating sphere for measuring spectral reflectance across the solar spectrum (0.25-2.5 μm) and a Fourier-transform infrared (FTIR) spectrometer for measuring emissivity in the mid-infrared atmospheric transparency window (8-13 μm).

Outdoor cooling performance was measured on the roof of a building at Purdue University in West Lafayette, Indiana (40.4 °Ν). Test samples were placed on polystyrene foam insulation to minimize conductive heat transfer from below. Type-T thermocouples were used to record surface temperatures at one-minute intervals. A pyranometer measured incoming solar irradiance. Control samples coated with commercial white paint (TiO2-based) were tested simultaneously for comparison. Measurements were conducted across different seasons and weather conditions, including clear sky, partially cloudy, and high humidity conditions.

Results and Discussion

The spectral reflectance measurements revealed that the BaSO4 paint achieves a solar-weighted reflectance of 98.1%, compared to 95.5% for the best previously reported CaCO3-acrylic paint and 90-92% for conventional commercial TiO2 white paints. The key factor contributing to this exceptional reflectance is the near-complete elimination of UV absorption. While TiO2 absorbs strongly below 380 nm wavelength, BaSO4 maintains high reflectance throughout the entire UV range due to its 6eV band gap, which corresponds to an absorption edge at approximately 210 nm, well below the solar spectrum.

The mid-infrared emissivity of the BaSO4 paint was measured at across the 8-13 μm atmospheric window, which is comparable to most polymer-containing coatings and sufficient for efficient radiative heat dissipation to outer space.

Outdoor field test results demonstrated consistent sub-ambient cooling performance:

• Nighttime cooling: The paint surface temperature was 10-12°C below ambient air temperature, with cooling power exceeding 100W/m∧2 .
• Daytime cooling (peak solar irradiance  900W/m∧2 The paint achieved 4.5°C below ambient air temperature, confirming genuine daytime sub-ambient cooling even under intense solar radiation.
• Comparison with commercial white paint: The BaSO4 paint surface was consistently 10°C or more cooler than the TiO2-based commercial white paint under the same conditions.

The estimated cooling power under peak solar conditions was approximately 117W/m∧2 . For a standard American residential roof area of 93m∧2, this translates to a total cooling capacity of approximately 10.9 kW, which exceeds the capacity of most residential air conditioning units (typically 5-10 kW).

The researchers performed computational analysis using Mie theory to understand the relationship between particle size distribution and solar scattering efficiency. The modeling confirmed that a broad particle size distribution (spanning 200nm to 3 μm) provides significantly higher integrated solar reflectance compared to monodisperse particle distributions, because each particle size is optimally sized for scattering a particular portion of the solar spectrum.

Film thickness optimization studies showed that a minimum coating thickness of approximately 400 μm (corresponding to roughly two coats of standard paint application) was required to achieve the maximum reflectance. Below this thickness, reflectance decreased due to insufficient scattering depth, approaching ∼90-150 μm thickness.

Durability testing over a six-month outdoor exposure period showed minimal degradation in solar reflectance (less than 1%decrease), confirming the stability of BaSO4 particles and the acrylic binder under environmental weathering conditions. The paint maintained good adhesion to both primed wood and aluminum substrates throughout the exposure period.