In einem sich verändernden Klima werden energieeffiziente Methoden zur Kühlung von Gebäuden und Fahrzeugen benötigt. Forscher der Universität Linköping haben nun gezeigt, dass die elektrische Abstimmung der passiven Strahlungskühlung verwendet werden kann, um die Temperatur eines Materials bei Umgebungstemperatur und Luftdruck zu steuern.
„Zur Kühlung von Gebäuden beispielsweise werden heute hauptsächlich traditionelle Klimaanlagen eingesetzt, die große Mengen an Energie benötigen und umweltschädliche Kältemittel verwenden. Mit Hilfe der passiven Strahlungskühlung könnte die Kälte des Weltraums genutzt werden, um normale Klimaanlagen zu ergänzen und zu reduzieren Energieverbrauch“, sagt Magnus Jonsson, Professor und Leiter der Gruppe für organische Photonik und Nanooptik an der Universität Linköping.
Passive Strahlungskühlung nutzt, dass thermische Energie ein Objekt in Form von Infrarotstrahlung verlassen kann. Alle Objekte geben Wärme als Infrarotlicht ab – Bäume, Gebäude, Wasser und sogar Menschen.
Unterschiedliche Materialien geben unterschiedliche Mengen an Infrarotwärme ab. Dies hängt von der Fähigkeit des Materials ab, Infrarotstrahlung zu absorbieren – je besser es Infrarotwärme absorbiert, desto besser gibt das Material die Wärme ab. Beispielsweise kann gewöhnliches weißes Schreibpapier Infrarotwärme gut absorbieren und folglich auch abgeben. Dagegen sind Metalle eher schlecht darin, da die meiste Wärme reflektiert wird.
Aufgrund der Fähigkeit der Atmosphäre, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu übertragen, kann die Kälte im Weltraum, wo die Temperatur etwa -270 Grad Celsius beträgt, genutzt werden, um Wärme von Objekten auf der Erde abzuführen. Durch die Temperaturdifferenz kann es zu einem Nettotransport nach außen kommen. Ein Objekt kann daher mit Hilfe der passiven Strahlungskühlung eine niedrigere Temperatur als die Umgebungstemperatur erhalten.
Dieser Effekt wurde weit zurück in der Geschichte genutzt, um beispielsweise Eis in wärmeren Klimazonen herzustellen. In den letzten Jahren hat sich die materialwissenschaftliche Forschung jedoch zunehmend mit diesem Phänomen befasst und neue Materialien mit einer hohen Fähigkeit entwickelt, Infrarotwärme abzugeben, ohne durch die Sonnenstrahlen aufgewärmt zu werden.
Forscher der Universität Linköping haben nun gezeigt, dass die Temperatur eines Geräts reguliert werden kann, indem das Ausmaß, in dem es Wärme durch passive Strahlungskühlung abgibt, elektrisch eingestellt wird. Das Konzept verwendet ein leitfähiges Polymer, um den Emissionsgrad des Geräts elektrochemisch abzustimmen.
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
„Man kann es mit einem Thermostat vergleichen. Derzeit können wir die Temperatur um 0,25 Grad Celsius regeln. Das klingt vielleicht nicht nach viel, aber der Punkt ist, dass wir gezeigt haben, dass es möglich ist, dieses Tuning bei Zimmertemperatur und normal durchzuführen.“ Druck“, sagt Debashree Banerjee, leitende Forschungsingenieurin an der Universität Linköping und Hauptautorin der Studie.
Die Forscher glauben, dass es, nachdem sie gezeigt haben, dass es möglich ist, Potenzial gibt, sowohl Materialien als auch Geräte weiterzuentwickeln. Langfristig sind Systeme denkbar, die ähnlich wie eine Solarzelle auf einem Dach verlegt werden können und so die Infrarot-Wärmestrahlung des Hauses steuern und bei Bedarf kühlen. Das Verfahren erfordert einen äußerst geringen Energieverbrauch und verursacht eine minimale Umweltverschmutzung. Weitere Anwendungsgebiete können auch Kleidung und Tapeten sein, die auf Wärmeströme abstimmbar sind und den thermischen Komfort in Innenräumen bei reduziertem Energieverbrauch verbessern.
In einer anderen in Advanced Science veröffentlichten Studie hat dieselbe Forschungsgruppe ein thermoelektrisches Gerät entwickelt, das nach demselben Prinzip der Strahlungskühlung betrieben wird, das auch durch Solarheizung ergänzt wird. Es basiert auf der Erzeugung eines Temperaturunterschieds zwischen zwei Zellulosematerialien, von denen eines Ruß enthält, um auch die Sonnenwärme zu absorbieren. Die Materialien sind mit einem Material verbunden, das die Temperaturdifferenz in ein elektrisches Potential umwandelt. Wird das Gerät dem Himmel ausgesetzt, wird bereits bei mäßiger Sonneneinstrahlung eine elektrische Spannung von 60 mV induziert, aber das Konzept funktioniert auch nachts, da die beiden Holzwerkstoffe auf unterschiedliche Wärmeabstrahlfähigkeiten ausgelegt sind.
„Wir nutzen nicht nur die Sonne, sondern auch den Weltraum als Energiequelle“, sagt Mingna Liao, Doktorandin in der Gruppe und Hauptautorin des Artikels in Fortgeschrittene Wissenschaft.
Um für beide Studien kontrollierte Messungen durchführen zu können, bauten die Forscher einen Himmelssimulator. Auf diese Weise wurden die Messungen nicht wie im Freien durch Veränderungen in der Umgebung beeinflusst. Der Himmelssimulator besteht aus einer Röhre mit aluminiumbeschichteten Seiten, die die Strahlung reflektieren. Ein am Boden platzierter Behälter enthält ein Material, das die Wärmestrahlung absorbiert und mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird, um die Kälte des Weltraums zu simulieren.
Die Forschung wurde von der Knut and Alice Wallenberg Foundation, dem Wallenberg Wood Science Center, der Swedish Defence Research Agency (FOI), dem Swedish Research Council und dem strategischen Forschungsbereich für Advanced Functional Materials (AFM) an der Universität Linköping finanziert.