Şeffaf radyatif soğutma kaplamaları için inorganik çok katmanlı filmlerin tasarımı ve optimizasyonu

Abstract

Dünyada sürekli artan enerji talebi ve küresel iklim krizi gibi problemler sürdürülebilir, ekonomik ve çevre dostu soğutma teknolojilerinin geliştirilmesi için temel motivasyon kaynağı olmuştur. Ekosistemin ve insan yaşamının devamlılığı için yeni yöntemlerin geliştirilmesi önem arz etmektedir. Son yıllarda herhangi bir dış enerji kaynağına ihtiyaç duymadan pasif soğutma sağlayan radyatif soğutma teknolojileri üzerine yapılan çalışmalarda artış gözlemlenmektedir. Pasif radyatif soğutucu kaplamalar, 0.3-2.5 µm dalga boyu aralığında yüksek yansıtma özelliği göstererek güneşten gelen ısı enerjisinin soğurulmasını önemli ölçüde engeller, 8-13 µm dalga boyu aralığında kaplamalar yüksek emilim karakteristiğinden dolayı atmosfer geçirgenliğinin en yüksek olduğu spektrumda termal yayınım yapar. Pasif radyatif soğutucu kaplamaların şeffaf yüzeylerde kullanımı göz önünde bulundurulduğunda ise görünür bölge dalga boyu aralığı için (0.38-0.75 µm) geçirgenliğin yüksek olması gerekmektedir. Özetle, radyatif kaplama spektrumun spesifik aralıklarında farklı optik performans özelliği göstermesi gerekmektedir. Literatürde, pasif radyatif soğutucu kaplamalar ile ilgili çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmaların önemli bir kısmında Polidimetilsiloksan (PDMS) gibi termal yayınım performansı yüksek polimer bazlı malzemeler kullanılarak 100 µm ve üzerindeki kalınlıklarda başarılı sonuçlar elde edilebilmiştir. PDMS yüksek kalınlıklarda kullanıldığında etkin bir performans gösterebildiğinden ötürü şeffaflık gerektiren uygulamalarda kısıtlamalara sebep olur. Ayrıca, PDMS gibi organik malzemeler UV radyasyonu ve sararma gibi problemlerden ötürü dayanım açısından dezavantaj oluşturmaktadır. Gümüş ise yüksek maliyetine rağmen yansıtıcı özelliğinden ötürü radyatif kaplamalarda sıklıkla tercih edilen malzemelerden biri olmuştur ancak dış ortama maruz kaldığında kısa sürede oksitlenme tehlikesi içermektedir. Literatür çalışmaları detaylı bir şekilde incelendiğinde mevcut problemler göz önünde bulundurularak, bu proje kapsamında radyatif soğutucu kaplamalarda kullanılmak maksadıyla inorganik ince film tasarım optimizasyonu yapılması amaçlanmıştır. Bu tez çalışması kapsamında, 2, 4, 6, 8, 10 ve 12 katmanlı konfigürasyonlarda en iyi performans gösteren inorganik ince film tasarımını belirlemek için optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Optimizasyon çalışmalarını gerçekleştirmede ağaç yapılı parzen tahminleyicisi yönteminden faydalanılmıştır. Algoritma kullanılarak her yeni denemede geçmiş veriler iyi veya kötü şeklinde sınıflandırarak belirtilen sınırlar ve koşullar çerçevesinde performansı geliştirici yönde optimum tasarımların belirlenmesi sağlanmıştır. Transfer matris yöntemi kullanılarak ince film tasarımlarının geçirgenlik, yansıtma ve termal yayınım performansının sayısal olarak modellenmesi amaçlanmıştır. Optimizasyon çalışmalarından gerçekçi sonuçlar elde etmek için ağırlıklandırma hesabı yaparak performanslar hesaplanmıştır. Şeffaf radyatif soğutucu kaplama uygulamaları için görünür bölgede yüksek geçirgenlik, solar bölgede yüksek yansıtıcılık ve atmosferik pencerede yüksek yayınımın olması gerekmesine rağmen bu durum her dalga boyunda aynı etkiye sahip değildir. Bundan dolayı, insan gözünün görme hassasiyeti, güneşten gelen ışığın enerjisi, atmosfer geçirgenliği, kara cisim ışıması gibi çeşitli etkenler her dalga boyunda farklı sonuç sağladığından hesaplamalara ağırlıklandırma yapılarak dahil edilmiştir. Ağaç yapılı parzen tahminleyicisi yöntemi her konfigürasyon için 20'şer defa çalıştırılmıştır. Her çalışma içerisinde 20.000 deneme yapılmış ve en iyi sonuçlar listelenmiştir. Algoritma katman kalınlığının belirlenmesi için 5-1000 nm aralığında bir tarama gerçekleştirmiştir. Proje çıktısı olarak şeffaf pasif radyatif soğutucu kaplama geliştirilmesi hedeflendiği için algoritma her deneme sonunda geçirgenliğin %70'den düşük olup olmadığını kontrol edip, bu eşiğin altındaki tasarımları geçersiz kılmıştır. Algoritma, malzeme seçimi için dielektrik, yarı-iletken ve metallerden oluşan 14 adet malzemenin bulunduğu bir havuzdan beslenmiştir. Tüm konfigürasyonlar için soğutma akısı grafiği çıkarılarak, her katmanın optimum sonucu veren tasarımı kıyaslanarak optimum sonucu veren tasarım belirlenmiştir. Ayrıca, üretimdeki olası hata payı göz önünde bulundurulduğunda optimum seçilen tasarımdaki katman kalınlıklarındaki değişimin performansı nasıl etkilediği Monte Carlo simülasyonu ile incelenmiştir. Son olarak da optimum tasarımın katmanlarındaki pürüzlülük miktarı arttıkça pusluluk oluşumuna ve performansından ne kadar sapma yaşanacağı değerlendirilmiştir.