DISENIA

Artículos científicos

• D. Osuna Ruiz, C. Lezaun, A. E. Torres-García and M. Beruete. (2023). Metal-free design of a multilayered metamaterial with chirped Bragg grating for enhanced radiative cooling. Opt Express Jul 3;31(14):22698-2270.
• Osuna Ruiz, D., Aznarez-Sanado, M., Herrera-Plaza, P. and Beruete, M. (2024). Artificial Intelligence-Enhanced Metamaterial Bragg Multilayers for Radiative Cooling. Adv. Photonics Res. 2400088.

Comunicaciones en congresos

• D. Osuna Ruiz, M. Áznarez, P. Herrera-Plaza, M. Beruete: “Optimized Distributed Bragg Reflectors designed by Artificial Intelligence for Multilayered Radiative Cooling Metamaterials”. METAMATERIALS 2024, Crete, Greece, September 2024
• D. Osuna Ruiz, M. Aznárez, P. Herrera, M. Beruete: “An optimised Bragg Reflector designed by Artificial Intelligence for multi-layered radiative cooling metamaterials”. Artificial Intelligence Photonics 2023, San Sebastián (11-14/09/23).

“AA eta eredu subrogatuak erabiliz erradiazioa hozteko gaitasuna duten metagainazalen diseinua” (disenIA) AEVOMETA II proiektuaren ohiko jarraipena da, eta 2022ko irailetik 2024ko azarora bitartean garatuko da. Erradiazioaren hozte pasiboari esker, bero-energia transferi daiteke objektu batetik gutxi gorabehera hiru kilometrotan dagoen espazio librera, energia-kontsumorik gabe, modu eraginkorrean irradiatuz leiho atmosferikoan (8-13 μm), eguzki-erradiazioa islatzen duen bitartean (0,3-3 μm).

Metodologiak eta garapen teknikoa

Eredu subrogatuen garapena geruza anitzeko egituren denbora konputazionala murrizteko

Hasiera batean proiektuak bi hurbilketa nagusi aztertu zituen geruza anitzeko egituren diseinua bizkortzeko. Lehenengoak, iragazkien teoria klasikoan oinarritutakoak, muga nabarmenak zituen, batez ere geruza anitzeko egiturekin bateraezinak diren serieko osagaiak behar zituzten igarotze-bandako iragazkietarako.

Bigarren hurbilketak, maiztasun-modulazio lineala duten Bragg islatzaileetan oinarrituta, askoz etorkizun handiagoa erakutsi zuen. Metodologia horrek aukera ematen du geruza anitzeko egiturak diseinatzeko kontraste optiko handiko eta txikiko materialak txandakatuz, non geruza-pare bakoitzak uhin-luzera zehatzak islatzen dituen Bragg ekuazioaren arabera. Emaitza teorikoek ~70 W/m²-ko potentzia garbiak lortu zituzten, 7 K-rainoko tenperaturako murrizketekin.

Geruza anitzeko egitura, Bragg iragazkiak eta 0º-ko emisibitate-kurba dituena.

Konputazio ebolutibo bidezko geruza anitzeko egituren optimizazioa

Konputazio ebolutiboko algoritmoak txertatu ziren geruzen lodierak optimizatzeko, Bragg irizpide teorikoaren emaitzak nabarmen gaindituz. 22 geruzako geruza anitzeko egitura optimoak (SiO₂/Si) 30.098 W/m²-ko potentzia garbia lortu zuen, 2909 nm-ko altuerarekin guztira, eta Bragg konponbide teorikoarekiko % 100eko gehikuntza erakutsi du.

Fabrikazioko tolerantziaren azterketek diseinuaren sendotasuna frogatu zuten: egituren % 94,5ak potentzia garbi positiboa mantendu zuen, lodieretan % 15eko aldakuntzekin, eta % 82ak 15 W/m² baino potentzia handiagoak mantendu zituen.

Adimen artifizialeko ereduak garatzea eredu subrogatu gisa

Zuzeneko diseinua

Deep learning ereduak garatu ziren emisibitate-kurbak iragartzeko. GRU (Gated Recurrent Unit) arkitekturek CNN1D konboluzio-sareak gainditu zituzten, bereziki materialen ezaugarri fisikoak (errefrakzio-indizeak eta galera-koefizienteak) sarrerako aldagai gisa txertatzean.

Amaierako GRU ereduak, 1.048.576 egiturarekin entrenatuta, 0,000039ko batez besteko errore koadratikoa lortu zuen, non iragarpenen % 94ak 0,0001 baino akats txikiagoak aurkeztu zituen.

GRU sareekin egindako zuzeneko diseinuaren emaitza

Alderantzizko diseinua

Emisibitate-kurbetatik abiatuta egiturazko geometria aurreikusteko, sare trinkoak txertatu ziren. Emaitzek erakutsi zuten iragarpenen % 80k 1 baino batez besteko errore koadratiko txikiagoa lortu zutela geruzen lodieretarako, eta % 95ak 0,9 baino zehaztasun handiagoa lortu zutela materialak identifikatzeko.

Metagainazal pixelatuak hozteko potentzia garbia handitzeko

Metagainazal dielektrikoen (SiO₂/airea) diseinua ikertu zen, leiho atmosferikoaren xurgapena hobetzeko geruza gehigarri gisa. Estrategikoki banatutako SiO₂ pixelez osatutako Mie motako erresonadore dielektrikoak dituzten konfigurazioek potentzia garbia % 12 gehigarri arte handitu dezaketela frogatu zuten azterketek.

Hala ere, zehaztu zen lehentasuna eguzki-bandan geruza anitzeko islatze handia mantentzea izan behar dela, metagainazalean osagaiak modu desegokian sartzeak eragindako galerek kalte handia egin baitiezaiokete errendimendu globalari.

Azpiko fisikaren azterketa

Self-Organizing Maps (SOM) tekniken eta XGBoost algoritmoen bidez, egituren errendimenduan eraginik handiena duten aldagaiak identifikatu ziren.

Fabrikazioa eta baliozkotze esperimentala

Fabrikazioko prozesua

Elektroi-sortaren lurrunketa bidezko jalkitze-prozesua optimizatu zen, SiO₂ eta Si oinarrizko material gisa erabiliz, ingurumenaren eta ekoizpenaren arrazoiak direla eta. Jalkitze-prozesua 200ºC-tik beherako tenperaturetan garatu zen, energiaren eragina minimizatzeko, eta ezaugarri optikoak elipsometria espektroskopikoaren bidez zehaztu ziren.

Fabrikatutako geruza anitzeko egituraren argazkia.

Ezaugarri optikoak

Egindako prototipoak erakutsi zuen:

• % 86tik gorako batez besteko islatzea eguzki-bandan (0,4-2,5 μm).
• 0,92tik gorako emisibitatea leiho atmosferikoan (8-13 μm).
• Transmitantziarik ez, infragorri ertainean berretsita.

Baliozkotze esperimentala kanpoan

Baldintza errealetan egindako neurketa esperimentalak honako hauetara iritsi ziren:

• 15,78 ºC-ko gehienezko erradiazioaren hoztea, erreferentziarekin alderatuta (24/08/09).
• 5 °C-ko gehienezko hoztea gauez, giro-tenperaturarekin alderatuta.
• Funtzionamendu egonkorra baldintza klimatologiko aldakorretan.

Heldutasun teknologikoaren eta transferentziaren maila

Proiektuak TRL-5 maila lortu zuen, hozte pasiboa kanpoko energia-ekarpenik gabe egiaztatzen duen prototipo erakusle funtzional batekin. Teknologiak ahalmen handia du klimatizazio-sistemen energia-kontsumoa murrizteko, eta zuzenean lagunduko die trantsizio energetikoko eta ingurumenaren jasangarritasuneko helburuei.

Hedapena eta eragin zientifikoa

Emaitzak eragin handiko aldizkarietan zabaldu dira zenbait argitalpenen bidez, hala nola Optics Express eta Advanced Photonics Research, baita nazioarteko batzarretan egindako aurkezpenetan ere (Artificial Intelligence Photonics 2023, METAMATERIALS 2024).