Evitar que a neve e o xeo se derretan co sol dun xeito sostible é unha cuestión importante en moitos ámbitos da vida humana, desde os alimentos da cadea de frío diarios ata os deportes sobre xeo e o derretemento dos icebergs a grandes altitudes/latitudes. Segundo as estatísticas, o 40 % dos alimentos conservados no mundo (uns 400 millóns de toneladas) consérvanse a través da cadea de frío, que consome o 11 % da electricidade mundial e contribúe a aproximadamente o 2.5 % das emisións globais de gases de efecto invernadoiro.

A fusión do xeo polo sol está ligada a cambios no fluxo de enerxía no sistema de xeo. A figura 1 resume o fluxo de calor típico do xeo a diferentes latitudes. Como se pode ver na figura, a radiación solar (lonxitude de onda de 0.3 a 2.5 μm) é a principal carga de calor, causando o aumento da temperatura do xeo e a consecuente fusión. Mentres tanto, a radiación infravermella media (lonxitude de onda de 2.5 a 18 μm) é o principal fluxo de enerxía para contrarrestar esta tendencia. Polo tanto, é de grande importancia práctica explorar unha forma sostible de equilibrar este fluxo de enerxía para lograr a protección pasiva de varios sistemas de xeo baixo a luz solar.

Figura 1. Fluxo de calor representativo do xeo a diferentes latitudes

O recente auxe da refrixeración por radiación diúrna ofrece unha estratexia para equilibrar o fluxo de enerxía. Os investigadores desenvolveron unha variedade de materiais e estruturas especiais, como estruturas fotónicas multicapa/con patróns, películas baseadas en nanopartículas/polímeros porosos, madeira arrefriada e revestimentos ultrabrancos (reflectividade solar superior a 0.95). A potencia de refrixeración experimental do método anterior pode alcanzar os 40~100 W·m-2 con luz diúrna clara, e a temperatura de refrixeración subambiental é de 3~13 °C. Non obstante, para conservar o xeo ao sol, existen varios requisitos estritos ademais das consideracións tradicionais. En primeiro lugar, nas aplicacións prácticas, o xeo debe estar a unha temperatura máis baixa, polo que necesita un rendemento de refrixeración radiativa moi alto. Por exemplo, calculouse que aumentar a potencia radiada neta de 70 W·m-2 a 110 W·m-2 pode evitar a fusión do xeo/alimentos conxelados sen necesidade de unidades de refrixeración adicionais. Ademais, para os requisitos especiais da criopreservación, os materiais de refrixeración radiativa deben ser abundantes, producidos en masa e ter un baixo impacto sobre o medio ambiente.

Por este motivo, Jia Zhu e Minghuai Wang, da Universidade de Nanjing, desenvolveron unha película fina en capas baseada en acetato de celulosa (CA) arrefriada por radiación que se pode producir en masa, é respectuosa co medio ambiente e proporciona unha protección pasiva eficaz para diversas formas/tamaños de xeo ao sol. Este traballo proporciona unha forma importante de desenvolver unha conservación da neve e o xeo eficaz, producida en masa e sostible, e proporciona inspiración para enfoques de conservación doutros elementos clave do ecosistema. A investigación publícase en Science Advances nun artigo titulado "Protecting Ice from Melting Under Sunlight via Radiative Cooling" (Protección do xeo da fusión baixo a luz solar mediante arrefriamento radiativo).

Deseño e caracterización de películas delgadas de arrefriamento radiativo

A vibración intrínseca das moléculas permite que as películas de CA teñan unha emisividade infravermella de banda ancha e alta, o que favorece un arrefriamento a grande escala de alto rendemento. Os poros personalizados actúan como centros de dispersión eficaces para a radiación solar entrante, o que lle dá á película de CA unha alta reflectividade solar. Polo tanto, o deseño en capas da película minimiza a carga térmica do xeo na luz solar e consegue unha protección pasiva eficaz do sistema de xeo a diferentes latitudes. Ao final do ciclo de vida, as películas de CA en capas poden ser dixeridas por microorganismos na natureza e descompostas en CA. As películas de CA en capas están feitas de celulosa natural, que se atopa amplamente nas membranas celulares das plantas e pódese obter dos embrións celulares das plantas naturais.

FIG. 2 Deseño en capas e ciclo de vida da membrana porosa de CA

Os investigadores acadaron as propiedades ópticas desexadas da película de CA mediante un deseño en capas e mediron a temperatura e a potencia de arrefriamento da película de CA. A temperatura de arrefriamento defínese como a redución da temperatura da película con respecto á temperatura ambiente. Baixo a luz solar directa, a película de CA en capas alcanza unha potencia de arrefriamento de ata 110 W·m-2 e unha temperatura de arrefriamento duns 12 ℃, o que confirma a boa capacidade de arrefriamento radiativo da película de CA en capas.

Figura 3 Conservación de alimentos con xeo/refrixeración ao aire libre en zonas de latitudes baixas/medias

Película refrixerada por radiación para protección contra xeo e neve

As superficies de xeo e neve (pequenos cristais de xeo) son dúas formas de relevo típicas. Teñen diferente reflectancia solar, pero emisividade similar no infravermello medio. Os investigadores demostraron o efecto de arrefriamento pasivo das membranas de CA en capas sobre superficies de xeo e neve. Como se mostra na figura seguinte, a fusión do xeo a altas latitudes está dominada por procesos de transferencia de enerxía radiativa resultantes da saída de radiación solar entrante e radiación no infravermello medio. Dado que tanto a radiación solar incidente como a saída de radiación no infravermello medio son independentes do tamaño da área superficial, os investigadores utilizaron experimentos a pequena escala para avaliar o efecto de arrefriamento das películas de CA en capas sobre xeo a altas latitudes. Os resultados mostran que a diferenza de temperatura entre as películas de CA con e sen deseño en capas é de ata 6.3 ℃. Como se mostra na Figura C seguinte, mesmo cunha radiación solar media duns 700 W·m-2, a temperatura da superficie do xeo con películas de CA de deseño en capas é uns 7 ℃ máis fría que a temperatura ambiente. Ademais do xeo, a película de CA en capas tamén proporciona unha boa protección para a superficie da neve. Os investigadores realizaron probas de campo en superficies de neve con e sen membranas de CA en capas. Os resultados mostraron que a neve con material de CA en capas tiña un 50 % máis de residuos que a neve espida. Outros resultados confirman directamente que a película de arrefriamento radiativo pode frear eficazmente o derretemento dos glaciares locais.

FIG. 4. Protección da neve e do xeo mediante un deseño en capas de película de CA

Modelado e análise do efecto de arrefriamento do xeo en zonas de alta latitude

Os investigadores empregaron un modelo para avaliar o efecto de arrefriamento esperado da película a escala. Os investigadores empregaron modelos termodinámicos para estudar a fusión dun iceberg (un anaco de xeo que se separa do seu glaciar nai) que mide ducias de quilómetros cadrados (o tamaño dunha gran estación de esquí). Resultou que o iceberg perdera 1 m do seu grosor ao derreterse durante o verán. En contraste, as membranas de CA en capas engaden 1 m ao grosor do iceberg. Ademais, os investigadores empregaron experimentos con modelos climáticos para estender as películas de CA en capas ao xeo mariño dentro da rexión da corrente de Beaufort. Nestas áreas específicas, a concentración de xeo mariño protexido pola película de CA aumentou entre un 5 % e un 40 % e o grosor aumentou entre 0.5 e 2.5 m, o que indica que o método pode protexer eficazmente o sistema de xeo en áreas/obxectivos de alta latitude.

Finalmente, considerouse exhaustivamente a biodegradabilidade da membrana de CA en capas ao final da súa vida útil. As probas de exposición ao solo (a 31° N en Nanjing) demostraron que as membranas de CA en capas presentan a mellor biodegradabilidade en varios polímeros para o desenvolvemento de materiais de refrixeración radiativa. Polo tanto, considérase que proporcionan unha protección respectuosa co medio ambiente para a neve e o xeo en diferentes latitudes.

Figura 5. Protección dos dominios de xeo en latitudes altas