Saudyjska klimatyzacja pasywna. Nie potrzeba prądu – jest grawitacja

Powiedzenie, że „nic nam z nieba nie spada” wyraża prostą myśl, że w każde działanie trzeba włożyć energię, o ile chce się wyjąć rezultat. W świecie rzeczywistym jednak jest siła, która zdolna jest działać pasywnie, czyli grawitacja. Bez wchodzenia tu w Einsteinowskie zagięcia czasoprzestrzeni zastępujące nam proste Newtonowskie prawa (o ile mówimy o ciałach wielkości planet i gwiazd) tylko stojąc mocno na Ziemi, żeby wyrzucić piłkę do góry, musimy przyłożyć siłę o odpowiedniej wielkości, kierunku i zwrocie. Aby piłka spadła, musimy tylko poczekać – sprowadzi ją tu grawitacja. A co z kroplą wody? 

Zanim odpowiem na to pasjonujące w istocie naukowe i praktyczne pytanie, ośmielę się odnotować, że choć Arabia Saudyjska nie jest potęgą w dziedzinie badań podstawowych, to dość wydajnie – przy nieograniczonych w sumie środkach z petrodolarów – sponsoruje badania aplikacyjne istotne z jej punktu widzenia, mianowicie nad odsalaniem wody, pozyskiwaniem i wykorzystywaniem energii słonecznej oraz chłodzeniem. Dlatego uczeni opłacani przez wspomniany wyżej prywatny uniwersytet nie po raz pierwszy pojawiają się ze swymi wynikami w bardzo solidnych czasopismach naukowych z zakresu technologii. I z pomysłami dającymi się zasadniczo od ręki implementować w warunkach tej bardzo tradycyjnej monarchii, gdzie np. nie tylko szkoły, ale nawet uniwersytety nie są koedukacyjne.  

Najpierw zatem, nieco ponad rok temu, pod kierunkiem Qiaoqianga Gana inżynierowie saudyjscy wystandaryzowali testy, aby w ogóle w sposób wiarygodny ustalić, co działa, a co nie działa jako materiał zdolny konstruować tzw. urządzenie chłodzące radiacyjnie. Czyli bez użycia prądu, a zatem – co niezmiernie istotne, nie tylko niskokosztowo, ale i bezemisyjnie. Gdy tych testów standaryzacyjnych nie było, w różnych warunkach zewnętrznych można było obserwować i mierzyć rzeczy w istocie dość dowolne. 

Klimatyzacja działająca tak, jak obecnie ma to najczęściej miejsce, przyczynia się do produkcji gazów cieplarnianych. To błędne koło, bo chłodzić będziemy musieli coraz bardziej, co wytworzy coraz więcej gazów cieplarnianych – i tak bez końca. W owej klimatyzacji chłodzącej radiacyjnie, urządzenie działa poprzez wypromieniowywanie ciepła w wąskim zakresie długości fal zwanym „przezroczystym oknem atmosferycznym”. Wtedy wypromieniowane ciepło, zamiast pozostawać w atmosferze , dosłownie leci w kosmos. A tam jest, jak „widać, słychać i czuć”, zimno i ciemno – panują temperatury w okolicach zera absolutnego, zatem jak najchętniej ciepło, jak ma w zwyczaju, przemieści się stamtąd, gdzie go więcej, to miejsca, gdzie jest go mniej. 

W świecie doświadczającym zwiększonego stresu cieplnego  technologia chłodzenia bez emisji dwutlenku węgla, która nie zużywa prądu, a zamiast tego działa poprzez bezpośrednie odprowadzanie ciepła w przestrzeń kosmiczną, byłaby przełomowym osiągnięciem.  Choć zatem im bliżej równika, tym wolniejszy przyrost temperatur, tym jednak – ze względu na znacznie wyższą już na początku temperaturę – dotkliwsze są te wzrosty dla naszych termosensorów. Tak, że dosłownie żyć się tam przestaje dawać. Presja zatem na opracowanie takiej technologii jest oczywiście wyższa na Półwyspie Arabskim, niż w Europie. A szkoda. 

W nocy, „kiedy i tak jest ciemno” – jak przytomnie zauważa Pan Księżyc z wierszyka Brzechwy – chłodzenie radiacyjne wykazuje wiele materiałów. Jak osiągnąć chłodzenie poniżej temperatury powietrza w pełnym świetle słonecznym? – oto jest pytanie. Tu by trzeba zminimalizować efekt absorpcji słonecznej, maksymalizując jednocześnie emisję cieplną w długościach fal stosownych dla okna atmosferycznego. 

Dziś oto, pod kierunkiem tego samego specjalisty, międzynarodowa grupa uczonych pokazuje na łamach wspomnianego „Advanced materials” działanie prototypu zdolnego to osiągnąć. Stanowi go nawilżona stosownym smarem „powierzchnia w pionowej dwustronnej architekturze do chłodzenia radiacyjnego i zbierania wody atmosferycznej”. Jak objaśniają w swej publikacji uczeni, „tradycyjne skraplacze skierowane w stronę nieba mają niską gęstość mocy chłodzenia, a krople wody pozostają przylgnięte do powierzchni, co wymaga aktywnego zbierania kondensatu. Aby przezwyciężyć te wyzwania, powłoka powierzchni smarowanej (LS) — składająca się z wysoce skalowalnego elastomeru polidimetylosiloksanowego smarowanego olejem silikonowym — jest wprowadzana po stronie skraplacza w pionowej dwustronnej architekturze. Konstrukcja nie tylko skutecznie podwaja lokalną moc chłodzenia, ale także \[…\] umożliwiając pasywne, grawitacyjne zbieranie wody”. 

Aż chce się powiedzieć: brawo dla tych panów! I dwa w jednym! Bo jeśli na czymś Arabii Saudyjskiej nie zbywa, to na chłodzie i słodkiej wodzie. I choć prototyp ma na razie wymiary 30 × 30 cm2, to został skutecznie przetestowany w środowiskach zewnętrznych o różnym poziomie wilgotności i prędkości wiatru, w różnych miesiącach kalendarzowych, bez sztucznego przepływu nawilżonego powietrza (a dokładnie w mieście Thuwal, około 100 km na północ od Dżuddy). Skoro woda ma wysoką pojemność cieplną, rzecz się dodatkowo schładza, a skoro ściany są pionizowane, to woda po nich po prostu spływa – z powodu zupełnie darmowej i zeroemisyjnej grawitacji, bez wsadu energii elektrycznej czy pompy i rurociągu odprowadzającego tę wodę. Dalej grawitacyjnie można ją odprowadzać, wystarczy tę rurę tylko prawidłowo umieścić – najlepiej do podlewania czegoś zielonego pod nią – i będzie trzeci zysk. 

Dziś w Arabii Saudyjskiej, siedzącej na ropie niemal tańszej od wody, 80 proc. energii odnawialnej (owszem, korzysta się tam z takiej) pochodzi z paneli słonecznych. Co nie dziwi – jak się ma dużo słońca i pustyni, nic nie stoi na przeszkodzie, żeby ją poprzykrywać panelami. Problem jednak w tym, co zaobserwował każdy, kto ma panele na dachu, u nas w zimie. Śnieg obok się topi bardzo szybko, bo panele nie są w stanie działać tak, by nie wypromieniowywać ciepła. A to oznacza, że nie tylko same (w warunkach Arabii Saudyjskiej, a nie naszego zimowego dachu) mogą ulec przegrzaniu, ale dodatkowo wcale wydajnie ogrzewają otoczenie tym swoim wypromieniowanym ciepłem. Chłodzić zatem trzeba by było dodatkowo, ale jak to zrobić bezemisyjnie? Ano takimi spionizowanymi, nawilżonymi olejem silikonowym panelami 

Uczeni zapewniają, że ich prosty i tani wynalazek nie tylko utrzyma ogniwa słoneczne i sterujące nimi na miejscu technologie półprzewodnikowe w niezbędnym poziomie schłodzenia, ale że da się z nich zbierać tę wodę kondensującą z powietrza z 90-proc. wydajnością. Jest jej wystarczająco dużo nie tylko, by coś nawodnić, ale np. dodatkowo chłodzić budynki, na których umieszczono ogniwa słoneczne. Woda ma bowiem – warto to zawsze podkreślać – niesamowitą pojemność cieplną, zupełnie nieporównywalną z powietrzem atmosferycznym, które jednakowoż zawiera w sobie niemało wody. 

Oczywiście, choć wg szacunków atmosfera zawiera sześć razy więcej wody niż cała słodka woda w rzekach razem wzięta, to nie wszędzie w atmosferze jest tej wody tyle samo. Na przykład 15,8 g wody rozpuszczonej w 1 m³ powietrza o temperaturze 21 st. C to największa ilość wody jaką powietrze może w tej temperaturze zaabsorbować. Wilgotność względna będzie wtedy na poziomie 100 proc. Natomiast 7,9 g wody w kilogramie powietrza o tej samej temperaturze, to wilgotność względna na poziomie 50 proc. U nas średnio wynosi ona 80 proc. 

Na Saharze wilgotność względna wynosi 12 proc.  Nadal jednak tę atmosferyczną parę wodną da się kondensować i tę wodę zbierać. Jeśli jednak przywrze ona do powierzchni kolektora, zbierać jej się nie opłaca, trzeba panele słoneczne chłodzić elektrycznie, albo za pomocą ssania i innych technik energokosztownych wymuszać zbieranie wodnego kondensatu. Dlatego trzeba było, trywializując, „posmarować”. Wtedy zbiera – i to bez dostarczenia energii z zewnątrz, dwa razy więcej wody, niż poprzednie służące temu technologie. Gdyby nie ten lubrykant, woda by się nie zbierała, ale ciepło byłoby i tak wypromieniowywane w kosmos i saudyjskie solary byłyby chronione przed przegrzaniem. Bez sprężarek czy wentylatorów. Zastosowany smar nie przeszkadza temu wypromieniowywaniu, a zapewnia gromadzenie wody. Takie proste, że aż piękne. 

W czasie, gdy te tanie i innowacyjne urządzenia powstaną i zaczną działać na masową skalę w kraju, gdzie najstarszy uniwersytet nie ma jeszcze 70 lat, nasze rodzime (czy raczej wymyślone i wyprodukowane w Rumunii, a sprowadzone na życzenie Komisji Europejskiej płacącej za to co pół roku 20 tys. euro) DWIE „ławeczki chłodzące” z laminowanej dykty, postawione w mieście, gdzie istnieje uniwersytet mający lat 601 (stojące na przystankach Rondo Grunwaldzkie i Krowodrza Górka) „sobie spokojnie zgniją na wolnym powietrzu. I co się wtedy zrobi? Protokół zniszczenia”.