Passive Kühlfolie trotzt dem Sonnenschein

  • 10. February 2017

Neuartige Folie nutzt Infrarotfenster der Atmosphäre, um Objekte unter Umgebungstemperatur zu kühlen.

Unser Planet wird zusehends wärmer. Gleichzeitig verbrauchen Klimaanlagen Unmengen an Energie und treiben so die Erwärmung noch weiter an. Passive Strahlungs­kühlungen könnten in Zukunft dazu beitragen, diesen Teufelskreis zu durchbrechen. Sie nutzen das Infrarot­fenster der Atmosphäre, um über Wärme­strahlung eine direkte thermische Verbindung mit dem Weltall herzustellen und so Wärme abzuführen. Dafür werden spezielle Materialien benötigt, die nur im Bereich des Infrarotfensters Strahlung emittieren bzw. absorbieren, während sie das Sonnenlicht so effizient wie möglich zurückwerfen. Forscher der Universität von Colorado, USA haben nun eine Folie vorgestellt, die genau das leistet – und darüber hinaus einfach und kosten­günstig herzustellen ist.

Abb.: Die Folie weist im Bereich der atmosphärischen Infrarotfensters eine hohe Emission bzw. Absorption auf. Sonnenlicht dagegen wird effektiv reflektiert. (Bild: Yao Zhai et al.)

Abb.: Die Folie weist im Bereich der atmosphärischen Infrarotfensters eine hohe Emission bzw. Absorption auf. Sonnenlicht dagegen wird effektiv reflektiert. (Bild: Yao Zhai et al.)

Im Gegensatz zu herkömmliche Kühlungen, die Energie aufwenden, um Wärme abzutransportieren, verstärken Strahlungs­kühlungen auf passive Art und Weise die natürliche Methode der Erde, sich selbst zu kühlen. Ansätze für solche Systeme existieren bereist seit den 1970er Jahren. Effizientes Kühlen war allerdings lange Zeit nur nachts möglich, da die verwendeten Materialien zu viel Sonnen­licht absorbierten – ein gravierender Nachteil, wenn man bedenkt, dass gerade tagsüber der Bedarf an Kühlung am größten ist. Fortschritte in den Material­wissenschaften haben in jüngster Vergangenheit jedoch die Entwicklung nano­photonischer Materialien ermöglicht, die auch unter direkter Sonnen­einstrahlung effizient kühlen.

So hat etwa eine Forschergruppe der Universität Stanford bereits 2014 ein solches Material hergestellt und getestet. Es reflektiert 97 Prozent des einfallenden Sonnenlichts und emittiert Strahlung hauptsächlich bei Wellenlängen zwischen acht und 13 Mikrometern – genau im Infrarot­fenster der Atmosphäre. So wurde selbst in praller Mittagssonne eine Kühl­leistung von 40 Watt pro Quadratmeter erreicht und es gelang den Forschern, Objekte um bis zu fünf Kelvin unter die Umgebungs­temperatur abzukühlen – ohne jeglichen Energie­aufwand.

Nanophotonische Materialien haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Sie erfordern eine hochpräzise Fertigung und sind kaum in großem Maßstab und schon gar nicht auf wirtschaftliche Art und Weise herzustellen. So besteht das Material aus Stanford etwa aus sieben übereinander gelagerten Schichten aus Silizium- bzw. Hafniumoxid mit genau aufeinander abgestimmten Dicken von etwa zehn bis 700 Nanometern. Außerdem ist das Material unflexibel und spröde – ein weiterer Hemm­schuh für einen weit­reichenden, praktischen Einsatz.

Abb.: Die Folie ist auf einfache Weise in großen Mengen herzustellen. (Bild: Yao Zhai et al.)

Abb.: Die Folie ist auf einfache Weise in großen Mengen herzustellen. (Bild: Yao Zhai et al.)

Mit dem nun vorgestellten, neuen Material scheinen die Forscher aus Colorado diese Nachteile überwunden zu haben. Seine Basis bildet eine 50 Mikrometer dicke Folie aus Polymethylpenten, ein für Sonnenlicht transparentes Polymer. In die Folie sind zufällig angeordnete Mikro­kügelchen aus Silizium­oxid eingebettet, die ebenfalls für Sonnenlicht durchlässig sind. Im Infraroten unterscheiden sich die optischen Eigenschaften der Kügelchen jedoch drastisch von denen der umgebenden Polymer­matrix: Aufgrund starker Phonon-Polariton-Resonanzen weisen sie bei den entscheidenden Wellenlängen von acht bis 13 Mikrometern einen nahezu gesättigten Emissionsgrad vom 0,93 auf.

Dabei kommt der Größe der Mikrokügelchen eine besondere Bedeutung zu. Während kleine Kugeln scharfe Resonanzen aufweisen, die die Emission auf eine bestimmte Wellenlänge beschränken, kommen mit wachsendem Durchmesser Interferenzen von Moden höherer Ordnung ins Spiel und sorgen für hohe Emission über den gesamten Bereich des atmosphärischen Infrarot­fensters. Letztlich ergaben Berechnungen einen optimalen Durchmesser von 4 Mikrometern. Auf der Rückseite der Folie sorgt eine 200 Nanometer dicke Silberschicht für die Reflexion von 96 Prozent des auftreffenden Sonnenlichts. So erreichte die Folie zu Mittag, unter direkter Sonnen­einstrahlung von 900 Watt pro Quadratmeter, eine Kühl­leistung von 93 Watt pro Quadratmeter.

Wie die Forscher betonen, lässt sich die Folie mit einfachen Mitteln kostengünstig und in großen Mengen herstellen. Eine gravimetrische Dosiereinheit sorgt für die gleichmäßige Verteilung der Mikro­kügelchen, die etwa sechs Volumen­prozent der fertigen Folie ausmachen. Die reflektierende Silber­schicht wird über Elektronen­strahl­verdampfung aufgebracht. Für ihre bisherigen Experimente haben die Forscher nach eigenen Angaben bereits Hunderte Quadratmeter einer 300 Millimeter breite Folie fabriziert – mit einer Herstellungs­geschwindigkeit von fünf Metern pro Minute.

Xiaobo Yin, einer der Autoren der aktuellen Studie, sieht bereits vielfältige Anwendungs­möglichkeiten für das neue Material. Im einfachsten Fall etwa zur Kühlung von Wohnhäusern. So könnte eine zehn Quadratmeter große Kühlfläche eine Kilowatt-Klimaanlage ersetzten. „Wir bauen gerade eine solche Anlage am Dach unserer Universität“, so Yin. „Neben der Klimatisierung der Räume könnte sie aber zum Beispiel auch für die Kühlung der Foto­voltaik­anlage eingesetzt werden, um deren Effizienz zu steigern“. Letztendlich, so hofft er, könnten aber Tausende Quadratmeter große Anlagen entstehen, die etwa kalorische Kraft­werke oder Rechen­zentren kühlen und so Unmengen an Energie und Wasser sparen.

Thomas Brandstetter

DE

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