दिगो रूपमा घाममा पग्लनबाट हिउँ र बरफलाई रोक्नु मानव जीवनका धेरै क्षेत्रहरूमा एक महत्त्वपूर्ण मुद्दा हो, दैनिक कोल्ड-चेन खानादेखि बरफ खेलकुदसम्म उच्च उचाइ/अक्षांशमा पग्लने हिमशिलाहरू। तथ्याङ्क अनुसार, विश्वको संरक्षित खाद्य पदार्थको ४०% (लगभग ४० करोड टन) कोल्ड चेन मार्फत संरक्षित गरिन्छ, जसले विश्वको ११% बिजुली खपत गर्छ र विश्वव्यापी हरितगृह ग्यास उत्सर्जनको लगभग २.५% योगदान गर्दछ।

सूर्यमा बरफ पग्लनु बरफ प्रणालीमा ऊर्जा प्रवाहमा हुने परिवर्तनसँग जोडिएको छ। चित्र १ ले विभिन्न अक्षांशहरूमा बरफको विशिष्ट ताप प्रवाहको सारांश दिन्छ। चित्रबाट देख्न सकिन्छ, सौर्य विकिरण (तरंगदैर्ध्य ०.३~२.५μm) मुख्य ताप भार हो, जसले गर्दा बरफको तापक्रममा वृद्धि हुन्छ र फलस्वरूप पग्लन्छ। यसैबीच, मध्य-अवरक्त विकिरण (तरंगदैर्ध्य २.५~१८μm) यो प्रवृत्तिलाई प्रतिरोध गर्न मुख्य ऊर्जा प्रवाह हो। त्यसकारण, सूर्यको प्रकाश अन्तर्गत विभिन्न बरफ प्रणालीहरूको निष्क्रिय सुरक्षा प्राप्त गर्न यो ऊर्जा प्रवाहलाई सन्तुलनमा राख्ने दिगो तरिकाको खोजी गर्नु धेरै व्यावहारिक महत्त्वको छ।

चित्र १. विभिन्न अक्षांशहरूमा बरफको प्रतिनिधि ताप प्रवाह

दिउँसोको विकिरण शीतलनमा हालै भएको वृद्धिले ऊर्जा प्रवाहलाई सन्तुलनमा राख्ने रणनीति प्रदान गर्दछ। अनुसन्धानकर्ताहरूले विभिन्न विशेष सामग्री र संरचनाहरू विकास गरेका छन्, जस्तै बहु-स्तर/ढाँचायुक्त फोटोनिक संरचनाहरू, न्यानोपार्टिकल/छिद्रयुक्त पोलिमर आधारित फिल्महरू, चिसो काठ, र अल्ट्रा-सेतो कोटिंग्स (०.९५ भन्दा बढी सौर्य परावर्तन)। माथिको विधिको प्रयोगात्मक शीतलन शक्ति स्पष्ट दिनको उज्यालोमा ४०~१०० W·m-२ सम्म पुग्न सक्छ, र उप-परिवेश शीतलन तापमान ३~१३°C छ। यद्यपि, सूर्यमा बरफ सुरक्षित गर्न, परम्परागत विचारहरू बाहेक धेरै कडा आवश्यकताहरू छन्। सबैभन्दा पहिले, व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूमा बरफ कम तापक्रममा हुनु आवश्यक छ, त्यसैले यसलाई धेरै उच्च विकिरण शीतलन प्रदर्शन चाहिन्छ। उदाहरणका लागि, यो गणना गरिएको छ कि नेट विकिरणित शक्तिलाई ७० W·m-२ बाट ११० W·m-२ मा बढाउँदा थप प्रशीतन एकाइहरूको आवश्यकता बिना बरफ/जमेको खाना पग्लनबाट रोक्न सकिन्छ। यसको अतिरिक्त, क्रायोप्रिजर्भेसनको विशेष आवश्यकताहरूको लागि, विकिरण शीतलन सामग्रीहरू प्रचुर मात्रामा, ठूलो मात्रामा उत्पादन हुने र वातावरणमा कम प्रभाव पार्ने हुनुपर्छ।

यस कारणले गर्दा, नान्जिङ विश्वविद्यालयका जिया झू र मिङहुई वाङले सेल्युलोज-एसीटेट (CA) मा आधारित तहयुक्त विकिरण-कूल्ड पातलो फिल्म विकास गरेका छन् जुन ठूलो मात्रामा उत्पादन गर्न सकिन्छ, पर्यावरणीय रूपमा अनुकूल हुन सक्छ, र सूर्यमा बरफका विभिन्न रूपहरू/आकारहरूको लागि प्रभावकारी निष्क्रिय सुरक्षा प्रदान गर्दछ। यो कामले प्रभावकारी, ठूलो मात्रामा उत्पादन गरिएको र दिगो हिउँ र बरफ संरक्षण विकास गर्ने महत्त्वपूर्ण तरिका प्रदान गर्दछ, र पारिस्थितिक प्रणालीका अन्य प्रमुख तत्वहरूको लागि संरक्षण दृष्टिकोणहरूको लागि प्रेरणा प्रदान गर्दछ। यो अनुसन्धान साइन्स एडभान्सेसमा "रेडिएटिभ कूलिंग मार्फत सूर्यको प्रकाशमा पग्लने बरफबाट सुरक्षा" शीर्षकको एक पत्रमा प्रकाशित भएको छ।

रेडिएटिभ कूलिङ पातलो फिल्महरूको डिजाइन र विशेषता वर्णन

अणुहरूको आन्तरिक कम्पनले CA फिल्महरूलाई ब्रॉडब्यान्ड र उच्च इन्फ्रारेड उत्सर्जनशीलता प्रदान गर्दछ, जुन उच्च प्रदर्शन ठूलो मात्रामा शीतलनको लागि अनुकूल छ। अनुकूलित छिद्रहरूले आगमन सौर्य विकिरणको लागि प्रभावकारी स्क्याटरिङ केन्द्रहरूको रूपमा काम गर्दछ, जसले CA फिल्मलाई उच्च सौर्य परावर्तनशीलता दिन्छ। त्यसकारण, फिल्मको तहगत डिजाइनले सूर्यको प्रकाशमा बरफको थर्मल भारलाई कम गर्छ र विभिन्न अक्षांशहरूमा बरफ प्रणालीको प्रभावकारी निष्क्रिय सुरक्षा प्राप्त गर्दछ। जीवन चक्रको अन्त्यमा, तहगत CA फिल्महरू प्रकृतिमा सूक्ष्मजीवहरूद्वारा पचाउन सकिन्छ र CA मा विघटन गर्न सकिन्छ। तहगत CA फिल्महरू प्राकृतिक सेल्युलोजबाट बनाइन्छ, जुन बिरुवाको कोशिका झिल्लीमा व्यापक रूपमा पाइन्छ र प्राकृतिक बोटबिरुवाहरूको कोशिका भ्रूणबाट प्राप्त गर्न सकिन्छ।

चित्र २ छिद्रपूर्ण CA झिल्लीको तहगत डिजाइन र जीवन चक्र

अनुसन्धानकर्ताहरूले तहयुक्त डिजाइन मार्फत CA फिल्मको इच्छित अप्टिकल गुणहरू प्राप्त गरे, र CA फिल्मको शीतलन तापक्रम र शीतलन शक्ति मापन गरे। शीतलन तापक्रमलाई परिवेशको तापक्रमबाट फिल्मको तापक्रम घटाउने रूपमा परिभाषित गरिएको छ। प्रत्यक्ष सूर्यको प्रकाशमा, तहयुक्त CA फिल्मले ११० W·m-२ सम्म शीतलन शक्ति र लगभग १२℃ को शीतलन तापक्रम प्राप्त गर्दछ, जसले तहयुक्त CA फिल्मको राम्रो विकिरणीय शीतलन क्षमताको पुष्टि गर्दछ।

चित्र ३ कम/मध्य-अक्षांश क्षेत्रहरूमा बाहिरी बरफ/चिसो खाना संरक्षण

बरफ र हिउँबाट सुरक्षाको लागि विकिरण-चिसो फिल्म

बरफ र हिउँको सतहहरू (साना बरफका क्रिस्टलहरू) दुई विशिष्ट भूरूपहरू हुन्। तिनीहरूमा फरक सौर्य परावर्तन हुन्छ, तर समान मध्य-अवरक्त उत्सर्जनशीलता हुन्छ। अनुसन्धानकर्ताहरूले बरफ र हिउँको सतहहरूमा तहयुक्त CA झिल्लीहरूको निष्क्रिय शीतलन प्रभाव प्रदर्शन गरे। तलको चित्रमा देखाइएझैं, उच्च अक्षांशहरूमा बरफ पग्लने विकिरण आगमन सौर्य विकिरण र मध्य-अवरक्त विकिरणको आउटपुटबाट उत्पन्न हुने विकिरण ऊर्जा स्थानान्तरण प्रक्रियाहरूद्वारा प्रभुत्व जमाउँछ। घटना सौर्य विकिरण र मध्य-अवरक्त विकिरण आउटपुट दुवै सतह क्षेत्रको आकारबाट स्वतन्त्र भएकोले, अनुसन्धानकर्ताहरूले उच्च अक्षांशहरूमा बरफमा तहयुक्त CA फिल्महरूको शीतलन प्रभावको मूल्याङ्कन गर्न साना-स्तरीय प्रयोगहरू प्रयोग गरे। परिणामहरूले देखाउँछन् कि तहयुक्त डिजाइन भएका र बिना CA फिल्महरू बीचको तापमान भिन्नता 6.3℃ जति उच्च छ। तलको चित्र C मा देखाइएझैं, लगभग 700 W·m-2 को औसत सौर्य विकिरणमा पनि, तहयुक्त डिजाइन CA फिल्महरू भएको बरफको सतहको तापक्रम परिवेशको तापक्रम भन्दा लगभग 7℃ चिसो हुन्छ। बरफको अतिरिक्त, तहयुक्त CA फिल्मले हिउँको सतहको लागि राम्रो सुरक्षा पनि प्रदान गर्दछ। अनुसन्धानकर्ताहरूले तहयुक्त CA झिल्लीहरू भएको र नभएको हिउँको सतहहरूमा क्षेत्रीय परीक्षणहरू गरे। नतिजाहरूले तहयुक्त CA सामग्री भएको हिउँमा खाली हिउँ भन्दा ५० प्रतिशत बढी अवशेष रहेको देखाएको छ। थप नतिजाहरूले प्रत्यक्ष रूपमा पुष्टि गर्दछ कि रेडिएटिभ कूलिंग फिल्मले स्थानीय हिमनदीहरूको पग्लने कार्यलाई प्रभावकारी रूपमा ढिलो गर्न सक्छ।

चित्र ४. CA फिल्मको तहयुक्त डिजाइनद्वारा हिउँ र बरफको सुरक्षा

उच्च अक्षांश क्षेत्रमा बरफको शीतलन प्रभावको मोडेलिङ र विश्लेषण गरिएको छ

अनुसन्धानकर्ताहरूले स्केलमा फिल्मको अपेक्षित शीतलन प्रभावको मूल्याङ्कन गर्न एउटा मोडेल प्रयोग गरे। अनुसन्धानकर्ताहरूले दर्जनौं वर्ग किलोमिटर (ठूलो स्की रिसोर्टको आकार) मापन गर्ने हिमशिला (यसको मूल हिमनदीबाट टुक्रिने बरफको टुक्रा) को पग्लने अध्ययन गर्न थर्मोडायनामिक मोडेलहरू प्रयोग गरे। गर्मीको समयमा पग्लिएर हिमशिलाले आफ्नो मोटाईको १ मिटर गुमाएको पत्ता लाग्यो। यसको विपरित, तहबद्ध CA झिल्लीहरूले हिमशिलाको मोटाईमा १ मिटर थप्छन्। थप रूपमा, अनुसन्धानकर्ताहरूले ब्यूफोर्ट वर्तमान क्षेत्र भित्र समुद्री बरफमा तहबद्ध CA फिल्महरू विस्तार गर्न जलवायु मोडेल प्रयोगहरू प्रयोग गरे। यी विशिष्ट क्षेत्रहरूमा, CA फिल्मद्वारा सुरक्षित समुद्री बरफको सांद्रता ५% देखि ४०% सम्म बढ्यो र मोटाई ०.५ देखि २.५ मिटर सम्म बढ्यो, जसले यो विधिले उच्च अक्षांश क्षेत्र/लक्ष्यमा बरफ प्रणालीलाई प्रभावकारी रूपमा सुरक्षित गर्न सक्छ भन्ने संकेत गर्छ।

अन्तमा, यसको सेवा जीवनको अन्त्यमा स्तरित CA झिल्लीको जैविक विघटनशीलतालाई पूर्ण रूपमा विचार गरियो। माटोको एक्सपोजर परीक्षण (नान्जिङमा ३१° उत्तरमा) ले देखाएको छ कि स्तरित CA झिल्लीहरूले विकिरणशील शीतलन सामग्रीहरूको विकासको लागि विभिन्न पोलिमरहरूमा उत्तम जैविक विघटनशीलता प्रदर्शन गर्दछ। त्यसकारण, यसलाई विभिन्न अक्षांशहरूमा हिउँ र बरफको लागि वातावरणमैत्री सुरक्षा प्रदान गर्ने मानिन्छ।

चित्र ५. उच्च अक्षांशमा बरफ क्षेत्रहरूको संरक्षण