Do roku 1805 se datuje objev fyzikálního jevu, který vám nejspíše do dnešního dne unikal, ale přitom si ho můžete snadno vyzkoušet sami. Vděčíme za něj obyčejné gumě; v době prakticky zcela novému materiálu, který v průběhu 19. století přispěl k technickému a ekonomickému pokroku podobně jako třeba ocel nebo bavlna.

Na samém začátku století, v podstatě v době prvních experimentů s ním, si fyzikové všimli nečekané zvláštnosti: pokud gumu dostatečně natáhnete, ideálně na sedminásobek její klidové délky, tak se ohřeje. Změna sice není nijak ohromná, v podstatě o jednotky stupňů, ale je zcela jasně měřitelná.

Samozřejmě platí i opak: pokud nataženou gumu pustíte, zase vychladne. Při troše snahy si to můžete vyzkoušet sami, doporučujeme přitom přikládat gumičku na ret, ten je na rozdíly teplot extrémně citlivý.

Co se to děje?

Fyzikové děj nazývají elastokalorický proces. Je poměrně dobře známý, popsaný, ale v praxi nepříliš důležitý – i materiáloví vědci přiznávají, že ho znají spíše z učebnic. Většině laiků je zcela neznámý a nejspíše je pro jejich intuici poněkud matoucí: vždyť všichni víme, že stlačovaný plyn se zahřívá. Proč se gumička naopak při natahování zahřívá, a když ji pustíte, tak se ochladí?

Zdánlivě protichůdné jevy mají stejné vysvětlení: jde o projev změny entropie. To je dnes stále trochu módní a vágní slovo, ve fyzice má ovšem samozřejmě přesný význam. V podstatě se tím označuje, jak v daném místě (systému, řečeno fyzikálním žargonem) rozložená energie. Když je energie „rozpuštěná“ po okolí zcela rovnoměrně, je takzvaná termodynamická entropie vysoká. Když je energie rozložená nerovnoměrně, je entropie nízká.

Pokud tedy, dejme tomu, vezmete kompresor a část vzduchu z vašeho okolí natlačíte to nějaké nádoby, entropie ve vašem okolí se sníží. Část plynu jste totiž „srovnali“ do tlakové nádoby – což si ovšem vesmír nechce nechat líbit. Snížení entropie si vykompenzuje tím, že se zvýší teplota plynu – všechno proto, aby celková energie systému zůstala zachována.

V natažené gumičce se děje totéž, co ve stlačeném plynu – snižuje se „chaos“, tedy entropie. Molekuly gumy za běžného stavu jsou zamotané a míří všemi směry. Po natažení se srovnají ve směru natažení, „chaos“, tedy řečeno entropie, se sníží. Stejně jako v případě stlačeného plynu se v kompenzaci zvýší teplota. Při puštění gumy se situace obrátí: entropie se zvýší, teplota tedy sníží.

Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí (foto: foto: Run Wang a spol.)
Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí (foto: foto: Run Wang a spol.)

Nebudeme zabíhat na tomto místě do fyzikálních podrobností, a tak nám musíte bohužel prostě věřit, že to tak je. Existují různá přirovnání, která entropii přibližují, ale žádné ji nevystihuje úplně dobře. Entropii také nemůžete zažít na vlastní kůži; nemá žádný fyzický ekvivalent; není jako teplota ani tlak, a tak je těžko představitelná.

V rovnicích ovšem vychází zcela přirozeně, funguje skvěle a výsledky měření v reálném světě pak dávají výsledky přesně podle nich. (Ostatně, s tím, že svět prostě není pochopitelný jen „selským rozumem“ bez nějaké snahy navíc, jste se asi už smířili.)

Teď se asi ovšem již ptáte, co má toto poučování společného s ledničkou z titulku. Dovolte, abychom vám předem poděkovali za trpělivost a přešli konečně k věci.

Kroucené chlazení

V tuto chvíli je vám asi jasné, jak je možné využít natahování materiálu k chlazení (či naopak zahřívání, ale to nechejme stranou). Představte si pro jednoduchost například ledničku: umísíte do ní gumičku, která se při smrštění ochladí. Tím „vytáhne“ teplo z chladící kapaliny, která pak zamíří do chladícího prostoru. „Guma“ se pak může znovu natáhnout, nechat natažená, až zchladne (a zahřeje tedy vzduch v kuchyni, jak chladící mřížka na vaší dnešní ledničce). Pak můžete cyklus opakovat: načerpáte chladící kapalinu ke gumě, pustíte ji, aby se ochladila, a tak dále. Velmi podobně může fungovat například i klimatizace, či jiné systémy.

Pokud byste si dali tu práci a takový systém postavili, není to ovšem žádné terno. Dnešní lednice s kompresorovým chlazením jsou mnohem účinnější než „chlazení na gumu“ neboli, jak říkají fyzici: elastokalorický proces.

Pokud ovšem někdo nepřijde s nějakým zajímavým novým nápadem či zlepšením. Přesně to se mělo povést mezinárodnímu (převážně ovšem čínskému) týmu vědců, kteří v září v v časopise Science vydali článek popisující chladicí zařízení založené na elastokalorickém principu s rekordní účinností.

Výzkum je to opravdu hodně raný. Mohli bychom to přirovnat k pokusům o hledání nejvhodnějšího vlákna pro tepelnou žárovku. Na přelomu 19. a 20. století vynálezci, například v Edisonových laboratořích, žhavili nejrůznějších materilů od vousů (opravdu) přes různé kovy, až po nakonec úspěšné uhlíkaté materiály, z nichž se nakonec nejvíce osvědčila bambusová vlákna. Až po několika desetiletích je postupně vytlačila kovová vlákna, která pak převládala až do konce 20. století.

Stejně tak autoři nového výzkumu elastokalorického procesu zkoušeli různé materiály od gumy přes nylon a polyetylenový vlasec až po zinkovo-titanové dráty – a především, nový způsob jejich „pohonuů. Chtěli zjistit, zda není vhodnější (energeticky, ale i také třeba z čistě prostorových důvodů) „gumou“ kroutit, než ji natahovat.

Dnešní lednice s kompresorovým chlazením jsou mnohem účinnější než „chlazení na gumu“ neboli, jak říkají fyzici: elastokalorický proces.

Zvláště u některých materiálů byl rozdíl dosti významný: zdá se, že pokud má elastokalorické chlazení nějakou budoucnost, bude zřejmě právě v kroutivém pohybu. Změna teploty na povrchu gumového vlákna byla zhruba 20krát vyšší než při natažení stejnou silou. V případě nylonu byla teplotní změna na povrchu vlákna při kroucení 50krát větší než při natahování. Nylon ovšem není nijak „výkonný“ materiál, jde tedy o významný relativní nárůst, ne ovšem absolutní rekord – ten drží právě gumová vlákna.

Z hlediska praktického využití pak dávaly zajímavé výkony zinkovo-titanové dráty, které jsou velmi odolné a mají vysokou životnost. A navíc mohou rychle předávat teplo okolnímu materiálu.

Co z toho bude?

Ovšem přes nespornou zajímavost je zatím těžko předpokládat, že by vaše příští lednice byla na „gumičku“ – byť některá média tak výzkum minimálně v titulku „prodávala“ (včetně samotného časopisu Science v jeho zpravodajském článku).

Účinnost je sice z hlediska dosavadních výsledků v oboru zajímavá, ale nedosahuje úrovně dnešních kompresorových systémů. Navíc systém chlazení založený na elastokalorickém jevu by z podstaty musel obsahovat celou řadu pohyblivých dílů a lze tedy předpokládat, že by se sotva obešel bez poruch. Což by samozřejmě případnou údržbu jen prodražilo a zkomplikovalo.

Jak si asi také dokážete představit, problém může snadno představovat i únava materiálu. Chladicí dráty by musely za dobu životnosti lednice projít ohromným počtem cyklů „zamotávání“ a uvolňování. Autoři nového výzkumu použili sice slitinu s příměsí titanu, který se za vhodných podmínek téměř „neunavuje“. Ale je otázkou, zda systém s takovým materiálem může cenově konkurovat. A zda lze případně za titan najít vhodnou náhradu.

Zajímavé by mohlo být ovšem použití, které zmiňují autoři v samotné práci. Jev by se podle nich mohl využívat v „chytrých“ textiliích, ve kterých by změna teploty zakroucených vláken mohla například vyvolat změnu barvy.

Ovšem velkou revoluci v chladicí technice těžko předpokládat. Což neznamená, že se naše ledničky nebudou měnit a do budoucna nebudou využívat nějakých nových, pro nás laiky „exotických“ jevů. V posledních několika letech se třeba zvyšuje počet prodaných ledniček a mrazáků, které využívají takzvaného magnetického chlazení (magnetokalorický jev).

Magnety vedou

Podstata je podobná jako u jevu elastokalorického. Teplota materiálu se však nemění při kroucení či natahování, nýbrž v závislosti na okolním magnetickém poli. Nějaké změny teplot se projevují prakticky na všech magnetech, ale postupně se daří objevovat nové látky, ve kterých jsou změny výraznější.

V roce 2014 byl například oznámen objev třídy materiálů, u kterých jsou změny teplot obří (to je v tomto případě terminus technicus, hovoří se o takzvaném obřím či gigantickém magnetokalorickém jevu). Jde o některé slitiny gadolinia, tedy kovu ze skupiny kovů vzácných zemin (patří mezi lanthanoidy).

Nyní se zdá v podstatě jisté, že tento typ chlazení bude stále rozšířenější a nakonec převládne. Má jasné výhody: chladicí systémy na tomto principu mohou být malé, účinné a jednoduché. To zatím „gumičkové“ chlazení o sobě rozhodně říci nemůže.

Ovšem právě příklad „magnetického chlazení“ také ukazuje, že objev nové skupiny látek s novými vlastnostmi může počty poměrně výrazně změnit, a tak v tuto chvíli nedokážeme říci, zda lednička na pružinu skutečně zůstane spíše vědeckou kuriozitou, nebo si nakonec v nějaké podobě najde do praxe.

V předchozí části našeho článku jsme popsali princip „superchladivých“ materiálů, které se dokáží uchladit i na přímém slunečním světle. Také jsme popsali práci týmu, který dal nakonec vzniknout společnost SkyCool Systems.

V tomto díle se budeme věnovat jejich jiež existující i potenciální konkurenci.

V jednoduchosti je síla

Zajímavý byl především projekt skupiny z Coloradské univerzity, jehož výsledky byly zveřejněny v roce 2017. Jejich materiál byl za prvé účinnější, protože z jednoho metru čtverečního povrchu dokázal během praktického pokusu vyzářit více energie, a tedy účinněji chladil: místo 40 W/m2 vyzářil i během poledne 93 W/m2.

Především však byl použitý materiál levný, a lze ho poměrně jednoduše tisknout (roll-to-roll) s nízkými náklady. Skupina totiž pracovala s levnými materiály, plastem a skleněnými kuličkami o průměru jednotek mikrometrů, protože ty při této velikosti silně září v oblasti 8–13 mikrometrů.

Tento i další pokusy ukazují, že materiál, který sálá proti obloze i během dne, lze vytvořit z levných ingrediencí. Je to dané tím, že v žádoucí oblasti infračerveného spektra sálá molekul s relativně běžnými chemickými vazbami (například uhlík-uhlík či uhlík-fluor), které jsou běžnou součástí řady polymerů, tedy velký molekul, tzv. makromolekul.

Stejný objem dřeva v přirozeném stavu (vlevo) a po přepracování na "chladivé dřevo"
Stejný objem dřeva v přirozeném stavu (vlevo) a po přepracování na „chladivé dřevo“ (foto: Liangbing Hu InventWood)

Coloradský tým toho využil k vytvoření „superchladivého“ dřeva. I to obsahuje makromolekuly, které vyzařují ve vhodné části spektra. Bylo ho „pouze“ nutné zbavit klíčové molekuly, ligninu, jež mu dává barvu, vzniklo bílé dřevo, které se ani na slunci téměř nezahřívá.

Ovšem lignin zajišťuje mimo jiné rovněž pevnost dřeva, a pak materiál je nutné ještě stlačit, aby došlo ke srovnání vláken ve dřevě a zvýšila se jeho schopnost zářit v infračerveném spektru (tj. zbavovat se přebytečného tepla).

Kdo to postaví

Hned několik výzkumných skupin v současné době spolupracuje s firmami na možné komercializaci nápadu v různých podobách, od hliníkových panelů po nátěry, které také ve zvýšené míře odrážejí světlo. Vědci dokonce založili malou firmu, která chce prosadit do praxe „superchladivé“ dřevo.

Jedním problémem „superchladivých“ materiálů na budovách je, že v chladnějším klimatu by během zimy mohly zvyšovat náklady na topení. Existují různé nápady, jak tomu čelit. Jeden start-up navrhuje vyplnit póry v materiálu izopropanolem, což v důsledku zcela změní vlastnosti materiálu, a ten začne teplo naopak pohlcovat. Ale problém i jeho řešení zatím existují pouze na papíře.

Další velkou neznámou je přístup možných zákazníků, kteří jsou leckdy k možným úsporám energie nečekaně hluší. Ani v teplém klimatu není všeobecným zvykem důsledně využívat na budovy reflexních bílých barev, které odrážejí přicházející sluneční záření. Nemluvě o případné pravidelné obnově nátěru. Pravda, sálavé materiály použitelné i v přímém slunečním světle mohou možné úspory výrazně navýšit, to samo o sobě úspěch nezaručuje.

Ovšem fyzikové mají čas. „Superchladivé“ materiály jsou stále ještě velmi mladé a nezralé. Možná že nakonec najdou zcela jiné využití, než jejich autoři původně předpokládali, ale je těžké si představit, že tak šikovný „trik“ si nenajde vůbec žádné.

Druhý, závěrečn část textu. První díl najdete na této stránce.

Na střeše obchodu Howarda Bisla v kalifornském Sacramentu už téměř tři roky stojí fyzikální zvlášnost: panely, které zůstávají chladnější než jejich okolí, dokonce i pod planoucím horkým sluncem, aniž spotřebovávají energii.

Jsou potažené tenkou chladicí fólií, pod nimi se pak táhnou desítky metrů trubek s chladicí kapalinou, kterou rozvádí do obchodu. „Ani v horkém dni nejsou horké,“ řekl Bisla na sklonku roku 2019 časopisu Nature.

Panely vznikly díky práci vědců ze Stanfordské univerzity v Kalifornii. V roce 2014 tamní tým oznámil, že vytvořil nový materiál s vlastnostmi, které v přírodě nenajdete (někdy se pro takové materiály používá označení metamateriál). Dva členové původního týmu, Shanhui Fan a Aaswath Raman, pak s dalším kolegou Elim Goldsteinem založili start-up SkyCool Systems – firmu, která nakonec Bislovi dodala jeho panely. Od té doby firma ve spolupráci s dalšími vědci vytvořila celou řadu dalších materiálů, jež s původním vzorkem sdílejí neobyčejnou vlastnost, že zůstávají v chladu i na přímém světle: speciálních „chladných“ nátěrů, barev i speciálně ošetřeného dřeva.

Panely na střeše obchodu Howard Bisla v kalifornském Sacramentu (kredit: Jyotirmoy Mandal)
Panely na střeše obchodu Howard Bisla v kalifornském Sacramentu (kredit: Jyotirmoy Mandal)

Všechny tyto materiály se spoléhají na již dlouho známý mechanismus, známý jako sálání proti obloze. Každý člověk, budova a objekt na Zemi vyzařuje teplo, ale naše atmosféra se chová jako deka, záření z velké části zachycuje, a teplo tedy zadržuje. Ovšem ne zcela všechno: Infračervené paprsky o vlnové délce 8 až 13 mikrometrů procházejí zemskou atmosférou lépe než záření v jiných oblastech. Naše atmosféra je pro ně velmi dobře průhledná, a tak snadno unikají do chladného vesmíru.

Praktické využití jevu omezuje fakt, že sálání je v případě běžných materiálů možné pouze v noci. Ve dne na povrch dopadá mnohem více slunečního světla, než kolika je možné se zbavit sáláním, a tak celková bilance vychází nepříznivě: běžné materiály se prostě na slunečním světle zahřívají.

To u nových nových – někteří vědci říkají „superchladivých“ – materiálů neplatí. Jejich podstata je přitom jednoduchá: v podstatě jde o materiály, které odrážejí co nejvíce světla ve všech oblastech spektra mimo 8–13 µm části infračerveného spektra. To jen proto, aby se na běžném světle tento materiál nezahříval příliš. Ve vybrané oblasti naopak teplo z okolí přímo „hltá“. Ovšem pouze proto, aby ho pak mohl vyzářit přímo do vesmíru, samozřejmě za podmínky, že panely jsou pod širým nebem a namířeny do vesmíru.

Díky tomu mohou zůstávat i během dne o několik stupňů chladnější než okolní vzduch (v noci je efekt je větší). V suchých a horkých oblastech může být rozdíl až 10 °C. V oblastech s vyšší vzdušnou vlhkostí (tedy třeba i v České republice) je rozdíl teplot menší, protože část unikajícího tepla zachycuje vodní pára v atmosféře.

Z opačného konce

Hledání sálavých materiálů použitelných i ve dne začalo v hlavě Aaswatha Ramana v roce 2012. Pracoval na své dizertaci o materiálech vhodných pro získávání energie ze slunce, když narazil na práce o této problematice. Když zjistil, že se tématu nikdo příliš nevěnoval, rozhodl se alespoň přibližně spočítat, jaké by musely být vlastnosti materiálu, který by dokázal vyzařovat teplo i během dne.

Zjistil, že aby více tepla ztrácel než vyzařoval, musí pohlcovat méně tepla než běžná bílá barva a odrážet alespoň 94 % dopadajícího slunečního záření v rozsahu od 200 nanometrů do 2,5 mikrometrů. Ve „vyzařovacím“ pásmu 8–13 mikrometrů musí být účinnost pohlcování i vyzařování téměř stoprocentní. Stačí jen o něco méně a materiál se bude ohřívat.

Po diskuzi s dalším budoucím kolegou ze start-upu, Shanhuiem Fanem, dospěli oba mladíci k závěru, že takový materiál je možné vyrobit. Musí být ovšem být pečlivě navržený na mikroskopické úrovni: musí mít totiž „nanostruktury“ takových rozměrů, aby umožnily průchod jen světla těch vlnových délek, které má materiál pohlcovat. Skupina teoreticky spočítala, jak by povrch takového materiálu mohl vypadat, a v roce 2013 své výsledky publikovala v odborném časopise Nano Letters.

Vědci se pokusili získat prostředky na praktický pokus a podali si projekt k agentuře ARPA-E. Jde o malou americkou státní agenturu na podporu „šílených“ nápadů v oblasti energetiky. ARPA-E nemá na poměry amerického státního rozpočtu k dispozici velké prostředky, cca kolem 360 milionů dolarů (9 mld. korun) ročně. Je ovšem ochotna financovat i velmi riskantní projekty, pokud se zdá, že by mohly mít v budoucnosti značný ekonomický či technologický dopad.

Raman a Fan narazili v agentuře na pochopení a dostali 400 tisíc dolarů a rok na to, aby materiál sestrojili. Aby se vešli do rozpočtu, vědci materiál proti původního návrhu výrazně zjednodušili a sáhli po osvědčených materiálech. Složili do sendviče materiály silně odrazivé (z oxidu hafničitého) a méně odrazivé vrstvy (ze skla). Jejich pořadí i tloušťka a množství byly nastaveny tak, aby materiál odrážel co nejvíce světla mimo danou oblast.

Prototyp skutečně fungoval: při slunečním příkonu kolem 850 W/m2 byl o 5 °C chladnější než okolní vzduch. Nejde o nijak úžasné hodnoty, protože 850 W/m2 je méně, než kolik dopadá na povrch v našich zeměpisných šířkách během letního poledne; na povrch totiž může dopadat až zhruba 1000 W/m2. Přesto šlo o důkaz, že v principu je chlazení sáláním možné i ve dne, a ARPA-E tak v následujících letech financovala ještě další podobné projekty.

O těch si můžete přečíst více v další části článku. Konec I. části.

Load More