कोई सतह दोपहर की पूरी धूप में रहकर भी आसपास की हवा से ठंडी रह सकती है। राज़ है आसमान में खुली एक खिड़की

अप्रैल की दोपहर किसी छत पर एक छोटा पैनल रखिए, सीधी धूप में, और उसका तापमान नापिए। अगर पैनल ठीक से बना है तो वह आसपास की हवा से कुछ डिग्री नीचे पढ़ेगा — छत से नीचे नहीं, ख़ुद हवा से नीचे — और यह तब, जब उस पर पूरी धूप पड़ रही है, उसमें कोई बिजली नहीं लग रही, कोई गैस नहीं है और कोई पुर्ज़ा हिल नहीं रहा।

पहली प्रतिक्रिया आम तौर पर यही होती है कि कहीं नापने में ग़लती हुई होगी, क्योंकि लगता है जैसे गर्मी उलटी दिशा में बह रही हो। ऐसा नहीं है। वह पैनल किसी बेहद ठंडी चीज़ के ऊष्मीय संपर्क में है — और वह चीज़ है गहरा अंतरिक्ष, जहाँ तक वायुमंडल में खुली एक ऐसी दरार से पहुँचा जा सकता है जो ठीक वहीं पड़ती है जहाँ धरती की गरम चीज़ें सबसे ज़्यादा विकिरण करती हैं।

हर चीज़ विकिरण करती है, और मायने यह रखता है कि किस तरंगदैर्घ्य पर

परम शून्य से ऊपर की हर वस्तु ऊष्मीय विकिरण छोड़ती है, और वह जितनी गरम हो, तरंगदैर्घ्य उतनी छोटी। इसीलिए गरम होती लोहे की छड़ पहले धुँधली लाल और फिर नारंगी चमकती है: तापमान चढ़ने के साथ उसका उत्सर्जन दृश्य परास में आ जाता है।

धरती के सामान्य तापमान वाली चीज़ें — छत, सड़क, इंसान, यानी क़रीब 300 केल्विन — मध्य-अवरक्त में विकिरण करती हैं, और उस उत्सर्जन का शिखर क़रीब 10 माइक्रोमीटर पर पड़ता है। यह आँख को नहीं दिखता पर ऊर्जा में ख़ासा होता है — थर्मल कैमरा यही देखता है।

सूरज, क़रीब 5,800 केल्विन पर, ज़्यादातर 0.3 से 2.5 माइक्रोमीटर के बीच विकिरण करता है: पराबैंगनी, दृश्य प्रकाश और निकट-अवरक्त।

ये दोनों पट्टियाँ आपस में बमुश्किल मिलती हैं। यही अलगाव आगे की पूरी बात की बुनियाद है, क्योंकि इसका मतलब है कि किसी सतह को सिद्धांत रूप में ऐसा बनाया जा सकता है जो धूप और अपने ऊष्मीय उत्सर्जन को दो अलग समस्याओं की तरह बरते — एक को लगभग पूरा लौटा दे और दूसरे में खुलकर विकिरण करे।

आसमान में वह खिड़की

वायुमंडल अवरक्त के लिए पारदर्शी नहीं है। जलवाष्प और कार्बन डाइऑक्साइड उसका ज़्यादातर हिस्सा ज़ोर से सोख लेते हैं — इसीलिए यह ग्रह उतनी गर्मी रोके रखता है जितनी रोकता है।

पर क़रीब 8 से 13 माइक्रोमीटर के बीच एक पट्टी है जहाँ साफ़ वायुमंडल उल्लेखनीय रूप से पारदर्शी है। यही वायुमंडलीय खिड़की है, और थर्मल कैमरे तथा मौसम उपग्रह इसी परास में काम करते हैं।

जो सतह उस खिड़की में विकिरण कर रही है, वह अपने ऊपर की हवा को गरम नहीं कर रही। उसके फ़ोटॉन सीधे वायुमंडल पार करके अंतरिक्ष में चले जाते हैं, जो ऊष्मीय भंडार के रूप में क़रीब 3 केल्विन पर है। साफ़ रात में, उन तरंगदैर्घ्यों पर, आसमान सचमुच और नापने लायक़ ठंडा है।

यह नई खोज से ज़्यादा नए सिरे से गढ़ी गई चीज़ है। साफ़ रेगिस्तानी रातों में, जब हवा का तापमान कभी जमाव बिंदु तक पहुँचता ही न हो, तब भी बर्फ़ बनाना फ़ारस और भारत के कुछ हिस्सों में सदियों से किया जाता रहा है — ज़मीन से अलग रखी उथली तश्तरियों में पानी, खुले सूखे आसमान के नीचे, इतनी गर्मी विकिरित कर देता था कि जम जाए। भौतिकी इस्तेमाल में थी, उससे बहुत पहले कि किसी ने उत्सर्जकता का वर्णक्रम लिखा हो।

दिन में यह कठिन क्यों हो जाता है

रात का विकिरण शीतलन तुलना में आसान है: लौटाने को धूप है ही नहीं, इसलिए ऊँची मध्य-अवरक्त उत्सर्जकता वाली सतह किसी भी साफ़, सूखी रात में हवा से नीचे चली जाती है।

दिन का हिसाब अलग है, और आँकड़े निर्मम हैं। सीधी धूप क़रीब 1,000 वाट प्रति वर्ग मीटर देती है। कोई सतह परिवेश तापमान पर वायुमंडलीय खिड़की से ज़्यादा से ज़्यादा क़रीब 100 वाट प्रति वर्ग मीटर विकिरित कर सकती है। यानी जो दिन का शीतक अपने ऊपर पड़ती धूप का पाँच प्रतिशत भी सोख ले, वह अपनी पूरी संभावित निकासी का आधा पहले ही भीतर ले चुका है।

इससे दो एक साथ पूरी करने वाली, और काफ़ी कड़ी, शर्तें बनती हैं:

• सौर पट्टी को लगभग पूरा लौटाइए — 0.3 से 2.5 माइक्रोमीटर में 95% या उससे बेहतर, क्योंकि बचा हुआ हर प्रतिशत शीतलन के बजट का बड़ा हिस्सा खा जाता है।
• 8 से 13 माइक्रोमीटर में ज़ोर से उत्सर्जन कीजिए, और आदर्श रूप से उस खिड़की के बाहर कम — क्योंकि खिड़की के बाहर सतह अंतरिक्ष से नहीं, वायुमंडल से विकिरण का लेन-देन करती है।

जो सतह दोनों करती है वह वर्णक्रम के हिसाब से इस तरह चुनिंदा है जैसा कोई साधारण मटेरियल संयोग से नहीं होता — और उसी चुनिंदापन को गढ़ना ही मटेरियल का काम है। दिन में परिवेश से नीचे शीतलन के पहले भरोसेमंद प्रदर्शन, क़रीब एक दशक पहले, बारीकी से बनी बहुपरत फ़ोटॉनिक फ़िल्मों से हुए थे — असरदार, और छत पर लगाने के लिए कहीं ज़्यादा महँगे।

यह प्रशीतन नहीं है और इससे कोई नियम नहीं टूटता। सतह गर्मी को ठंडे से गरम की ओर नहीं बहा रही; वह 3 केल्विन वाले भंडार से विकिरण का लेन-देन कर रही है, और उस सौदे में बुरी तरह घाटे में है। अंतरिक्ष बस एक बहुत बड़ी, बहुत ठंडी जगह है — और वायुमंडल उस तक एक दरवाज़ा खुला छोड़ देता है।

मटेरियल यह करते कैसे हैं, और ऑक्साइड कहाँ आते हैं

मध्य-अवरक्त वाला आधा हिस्सा सुनने में जितना कठिन लगता है, उससे आसान है। बहुत सारे आम मटेरियल 8 से 13 माइक्रोमीटर में ज़ोर से उत्सर्जन करते हैं क्योंकि उनके आणविक बंध ठीक उन्हीं आवृत्तियों पर कंपन करते हैं — सिलिका और सिलिकेट में सिलिकॉन–ऑक्सीजन बंध, और कई पॉलिमरों में कार्बन–ऑक्सीजन बंध, सीधे उसी खिड़की में बैठते हैं। इसलिए आम पॉलिमर और सिलिका-आधारित मटेरियल क़रीब-क़रीब मुफ़्त में अच्छे ऊष्मीय उत्सर्जक होते हैं।

कठिन आधा हिस्सा धूप लौटाना है, और वह आईने जैसे परावर्तन से नहीं, प्रकीर्णन से सधता है।

कोई कोटिंग सफ़ेद इसलिए होती है कि उसमें ऐसे कण हैं जो दृश्य प्रकाश को ज़ोर से बिखेरते हैं। प्रकीर्णन तब सबसे कारगर होता है जब कण का आकार उस तरंगदैर्घ्य के आसपास हो जिसे बिखेरना है — दृश्य प्रकाश के लिए कुछ सौ नैनोमीटर — इसलिए अधिकतम सौर परावर्तन के लिए बनी कोटिंग असल में किसी पारदर्शी माध्यम में सोच-समझकर नापे गए कणों का परिक्षेपण है। कुछ डिज़ाइन छिद्रिल पॉलिमर इस्तेमाल करते हैं, जहाँ बिखेरने वाले कण नहीं, हवा की रिक्तियाँ होती हैं, जो सूखते वक़्त प्रावस्था-पृथक्करण से बनती हैं।

यह वही प्रकाशिकी है जो मिनरल सनस्क्रीन वाले हमारे लेख में थी, बस उलटी दिशा में तानी हुई। वहाँ मक़सद था कणों को इतना छोटा कर देना कि दृश्य प्रकीर्णन गिर जाए और परत अदृश्य हो जाए। यहाँ मक़सद है उन्हें अधिकतम दृश्य प्रकीर्णन के नाप पर रखना और परत को भौतिक रूप से जितना सफ़ेद हो सके उतना बनाना। एक ही भौतिकी, दो उलटी शर्तें।

पिगमेंट का चुनाव एक बारीक बात रखता है, और वह वही बैंड गैप वाला तर्क है। टाइटेनियम डाइऑक्साइड दुनिया का सबसे बड़ा सफ़ेद पिगमेंट है और शानदार प्रकीर्णन करता है — पर उसका बैंड गैप उसे पराबैंगनी सोखने पर मजबूर करता है, और इस काम में वह अवशोषण एक बहुत तंग बजट से सीधी कटौती है। इसीलिए बेरियम सल्फ़ेट और दूसरे पराबैंगनी-पारदर्शी पिगमेंट ख़ास तौर पर विकिरण शीतलन पेंट के लिए गंभीर ध्यान खींच रहे हैं, जहाँ एक आम बढ़िया सफ़ेद पिगमेंट भी काफ़ी नहीं है।

व्यावहारिक नतीजा यह कि ऊँचे प्रदर्शन वाला विकिरण शीतलन अब फ़ोटॉनिक ढेर के बजाय पेंट या फ़िल्म के रूप में हासिल होता जा रहा है — और यही उसे प्रयोगशाला के नतीजे से उठाकर गोदाम की छत तक ले जाने वाला क़दम है।

यह क्या कर सकता है और क्या नहीं, ख़ासकर भारत में

यहाँ ईमानदार आकलन आम से ज़्यादा मायने रखता है, क्योंकि भौतिकी और ब्रोशर के बीच का फ़ासला चौड़ा है।

सीमा तकनीक नहीं, नमी तय करती है। जलवाष्प वायुमंडलीय खिड़की में सोखती है और उसे आंशिक रूप से बंद कर देती है। सूखे, साफ़ दिन आसमान ठंडा भंडार है; उमस भरे बादलों वाले दिन वह क़रीब-क़रीब आईना बनकर विकिरण लौटा देता है। यानी अप्रैल में जोधपुर और जुलाई में कोच्चि — दो बिलकुल अलग बातें हैं, और जो दावा नमी की शर्तें न बताए वह ऐसा दावा नहीं जिस पर काम किया जा सके। भारत के बड़े हिस्से के लिए मानसून के महीने ठीक वही हैं जब ठंडक सबसे ज़्यादा चाहिए और विकिरण शीतलन सबसे कम चलता है।

शीतलन की शक्ति मामूली है। कुछ दसियों वाट प्रति वर्ग मीटर का शुद्ध आँकड़ा वास्तविक है। यह एयर कंडीशनर नहीं है और बन भी नहीं सकता। यह जिस काम में बहुत अच्छा है वह है सतह को पहले से गरम ही न होने देना।

असली इनाम "परिवेश से नीचे जाना" नहीं, "गरम न होना" है। भारतीय गर्मी की धूप में आम गहरे रंग की छत हवा से 30 से 40 डिग्री ऊपर पहुँच जाती है, और यही अंतर पूरी दोपहर इमारत में गर्मी ठेलता रहता है। अच्छी कूल रूफ़ हवा के तापमान के पास या उससे ज़रा नीचे बैठी रहती है। उस ढलान को मिटा देना इमारत में घुसती गर्मी को बहुत घटा देता है — और यह निष्क्रिय रूप से, स्थायी रूप से, सिर्फ़ पेंट की क़ीमत पर होता है। परिवेश से नीचे जाना वैज्ञानिक रूप से ज़्यादा चौंकाने वाला नतीजा है; पूरी छत पर परिवेश के आसपास रहना वह नतीजा है जो बिजली का बिल बदलता है।

दूसरे उपयोग सचमुच आकर्षक हैं। एयर कंडीशनर या प्रशीतन संयंत्र के कंडेंसर को ठंडा रखना उसकी दक्षता बढ़ा देता है, क्योंकि ठंडी सतह पर गर्मी छोड़ना आसान है। शहरी ऊष्मा-द्वीप घटाना सीधा उपयोग है। और बिना बिजली वाली जगहों पर चीज़ें बचाना, तथा धूप में खड़ा कोई भी उपकरण-बक्सा भी।

और एक नाकामी है जिसकी तस्वीर कोई नहीं छापता: धूल। विकिरण शीतक का पूरा प्रदर्शन 95% या उससे ज़्यादा धूप लौटाने पर टिका है, और धूल की परत किसी भी चीज़ का 95% नहीं लौटाती। धूल भरे हालात में — यानी उत्तर भारत का बड़ा हिस्सा, साल के बड़े हिस्से में — गंदगी एक ही मौसम में ज़्यादातर फ़ायदा छीन सकती है; इसलिए साफ़ हो पाना और गंदगी झेल पाना असली प्रदर्शन के लिए प्रयोगशाला वाले एक और प्रतिशत परावर्तन से ज़्यादा अहम है। यही बात मौसम की मार और पॉलिमर बाइंडर के पराबैंगनी से टूटने पर भी लागू है, छत की पूरी उम्र के पैमाने पर। यह भी ध्यान देने लायक़ है कि जहाँ सर्दी हावी हो वहाँ कूल रूफ़ जाड़े में नुक़सान है — इसीलिए यह सार्वभौमिक भलाई नहीं, जलवायु-विशिष्ट तकनीक है।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

विकिरण शीतलन असामान्य रूप से साफ़ प्रदर्शन है कि किसी मटेरियल का वर्णक्रम उसे बताने वाले किसी भी अकेले आँकड़े से ज़्यादा मायने रखता है। यहाँ "परावर्तकता" और "उत्सर्जकता" नंगे आँकड़ों की तरह बताए जाएँ तो उनका मतलब बहुत कम है; प्रदर्शन तय करता है एक पट्टी में परावर्तन और दूसरी पट्टी में उत्सर्जन — और कोई मटेरियल एक में शानदार तथा दूसरे में बेकार हो सकता है। जिसने किसी भी प्रकाशिक दावे को मानने से पहले "किन तरंगदैर्घ्यों पर?" पूछना सीख लिया, उसने वह आदत पा ली जो सौर अवशोषक, कम-उत्सर्जकता वाले काँच, ऊष्मीय छद्मावरण और ग्रीनहाउस फ़िल्म — सब पर लागू होती है।

यह वह क्षेत्र भी है जहाँ मापन दिखने से कठिन है और जहाँ बहुत सारे छपे दावों की आपस में तुलना मुश्किल है। परिवेश से नीचे के नतीजे इस बात पर बहुत टिकते हैं कि परीक्षण-सतह को हवा से आती गर्मी से कितना बचाया गया था — सूखी रेगिस्तानी हवा में पवन-कवच के नीचे रखा अच्छी तरह इन्सुलेट किया नमूना और उमस भरी छत पर खुला पैनल, दोनों एक ही चीज़ नहीं नाप रहे। बताई गई शीतलन शक्ति हमेशा नमी, आसमान की हालत, हवा और घेरे के साथ पढ़ी जानी चाहिए।

खुले सवाल व्यावहारिक और तात्कालिक हैं। गंदगी झेलने वाली और आसानी से साफ़ हो जाने वाली कोटिंग वर्णक्रम को और सुधारने से ज़्यादा असली ठंडक देंगी। बदल सकने वाली या तापमान पर प्रतिक्रिया देने वाली सतहें, जो गर्मी में ठंडा करें और जाड़े में रुक जाएँ, जलवायु वाला नुक़सान ही हटा देंगी। भारतीय हालात — उमस भरे तटीय, धूल भरे भीतरी, ऊँचाई के सूखे — से आया मैदानी आँकड़ा उतना नहीं है जितनी बार यह तकनीक भारत के लिए सुझाई जाती है। और टिकाऊ, ऊँचे परावर्तन वाली कोटिंग का सस्ता निर्माण ही दिलचस्प नतीजे और लगे हुए उत्पाद के बीच का फ़र्क़ है।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

क्या इससे ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम टूटता है?

नहीं। गर्मी गरम वस्तु से ठंडी की ओर ही बह रही है, जैसी बहनी चाहिए — बस ठंडी वस्तु यहाँ क़रीब 3 केल्विन वाला गहरा अंतरिक्ष है, जहाँ तक उन तरंगदैर्घ्यों से पहुँचा जा रहा है जिन्हें वायुमंडल नहीं सोखता। सतह स्थानीय हवा से नीचे इसलिए चली जाती है कि वह अपने से सटी गरम हवा के मुक़ाबले ठंडे आसमान से ज़्यादा मज़बूती से जुड़ी है — और वह जुड़ाव चालन का नहीं, विकिरण का है।

क्या विकिरण शीतलन से सचमुच बर्फ़ बन सकती है?

ऐतिहासिक रूप से हाँ — फ़ारस और भारत के सूखे इलाक़ों में यह दर्ज प्रथा है, जहाँ खुले साफ़ आसमान के नीचे रखी उथली तश्तरियों का पानी जम जाता था, जबकि हवा कभी जमाव बिंदु तक पहुँची ही नहीं। इसके लिए सूखा, बादल-रहित आसमान, ज़मीन से अच्छा इन्सुलेशन और हवा से ओट चाहिए, क्योंकि हवा से आती गर्मी कुछ दसियों वाट प्रति वर्ग मीटर को बहुत आसानी से हरा देती है। आधुनिक प्रयोग इसे दोहरा चुके हैं, और यह प्रशीतन का तरीक़ा नहीं, प्रदर्शन ही बना हुआ है।

क्या यह बस छत सफ़ेद पोत देना है?

कुछ हद तक — और छत सफ़ेद पोतना सचमुच फ़ायदेमंद है। फ़र्क़ यह है कि आम सफ़ेद पेंट सफ़ेद दिखने के लिए चुना जाता है, यानी दृश्य प्रकाश लौटाने के लिए; जबकि विकिरण शीतलन कोटिंग दो चीज़ों के लिए एक साथ गढ़ी जाती है — पूरी सौर पट्टी में, निकट-अवरक्त समेत, बहुत ऊँचा परावर्तन, और ख़ास तौर पर 8 से 13 माइक्रोमीटर वाली खिड़की में ऊँचा उत्सर्जन। कूल-रूफ़ मानक ठीक इसीलिए दोनों गुण नापते हैं, और कोई पेंट एक में अच्छा तथा दूसरे में कमज़ोर हो सकता है।

क्या यह मानसून में काम करेगा?

काफ़ी कम, और यही ईमानदार सीमा है। बादल और ऊँची नमी वायुमंडलीय खिड़की बंद कर देते हैं, इसलिए आसमान ठंडे भंडार की तरह बर्ताव करना छोड़ देता है। कूल रूफ़ उन हालात में भी धूप लौटाकर मदद करती है, और वह अपने आप में बड़ा फ़ायदा है — पर परिवेश से नीचे जाने वाला ख़ास बर्ताव उमस या बादलों में क़रीब-क़रीब ग़ायब हो जाता है।

क्या इससे फ़ोन, कार या इंसान को ठंडा किया जा सकता है?

सिर्फ़ वहीं, जहाँ सतह को आसमान साफ़ दिखता हो और पीछे से उसे गर्मी न मिल रही हो। खुले में खड़ी कार की छत ठीक-ठाक उम्मीदवार है और उसके लिए कोटिंग बन भी रही हैं; जेब या हाथ में पड़े फ़ोन को आसमान दिखता ही नहीं, इसलिए वह इस तंत्र का इस्तेमाल कर ही नहीं सकता। ऐसे कपड़े जो मध्य-अवरक्त के लिए पारदर्शी हों और शरीर की गर्मी बाहर विकिरित होने दें, सचमुच शोध का क्षेत्र हैं — भरोसेमंद नतीजों और ख़ासी व्यावहारिक शर्तों, दोनों के साथ।