Kühlung durch mikrostrukturiertes Quartz

  • 04. December 2013

Mit neuem Mehrschicht-Konzept bleiben Wunschfarben unter Sonnenlicht erhalten.

Stark reflektierende Hüllen können vor einem Aufheizen unter Sonnenlicht schützen. Damit beschränken sich allerdings die Farben der umhüllten Objekte auf eine sehr kleine Auswahl. Gegen diese Einschränkung entwarfen nun Wissenschaftler der Stanford University ein neues Konzept für eine passive Kühlung. Mit einer Hülle aus mikrostruktuiertem Quartz gelang es ihnen, unter Sonneneinstrahlung die Temperatur eines Objekts deutlich unter die Umgebungstemperatur zu senken. Zudem blieben die Farben dieses Objekts unverändert, sodass Designer oder Architekten frei über Wunschfarben entscheiden könnten.

Schematischer Aufbau der beiden Testobjekte

Abb.: Schematischer Aufbau der beiden Testobjekte ohne (links) und mit (rechts) einer mikrostrukturierten Quartzhülle (Bild: L. Zhu et al., AIP)

„Mit unserem Ansatz für eine passive Strahlungskühlung bei Tageslicht bleibt die Farbe für ästhetische oder funktionelle Zwecke erhalten“, sagt Linxiao Zhu von der Stanford University. Dabei setzte er mit seinen Kollegen nicht auf die Abschirmung von teils wärmenden Sonnenlicht, sondern auf eine maßgeschneiderte Abstrahlung von Wärme. Die Herausforderung: Bei Tageslicht sollte eine beliebige Farbe eines Objekts weiterhin sichtbar sein. Zugleich sollte die Temperatur des Objekts über passive Kühlung deutlich unter die Umgebungstemperatur sinken.

Die Lösung für dieses Problem fanden Zhu und Kollegen in einem mikrostruktuiertem Areal aus Quartz. Dieses Material ist einerseits für das sichtbare Spektrum weitestgehend transparent und weist für den Infrarotbereich zwischen 8 und 30 µm Wellenlänge einen hohen Emissionsgrad auf. Für eine passiv kühlende Hülle ordneten sie sieben bis zehn Mikrometer feine Quartz-Stäbchen parallel an und bedeckten damit um 90 Grad versetzt ein Areal aus nur 100 Nanometer feinen Silizium-Stäbchen. Als Trägersubstanz wählten sie Aluminium. Trotz der Quartz-Hülle blieb von außen die leichte Rosafärbung des Objekts aus Silizium und Aluminium unverändert erkennbar.

Emissonsspektrum von Alpha-Quartz (schwarze Linie) mit starker Ausprägung im Infrarotbereich, solares Strahlungsspektrum (gelb), Transmissionspektrum der Atmosphäre (magenta

Abb.: Emissonsspektrum von Alpha-Quartz (schwarze Linie) mit starker Ausprägung im Infrarotbereich, solares Strahlungsspektrum (gelb), Transmissionspektrum der Atmosphäre (magenta; Bild: L. Zhu et al., AIP)

Unter Sonnenlicht heizten sich dieses Testmodul ebenso wie ein Vergleichsobjekt ohne Quartzhülle zunächst auf. Doch nach kurzer Zeit zeigte sich die Auswirkung des hohen Emissionsgrads der Quartzhülle im Unterschied zum Vergleichsobjekt, das im Infrarotbereich keine nennenswerte Abstrahlung zeigte. In einer windstillen Umgebung sank durch die verstärkte Wärmeabstrahlung die Temperatur des Testmoduls um 31,4 Kelvin unter die des Vergleichsobjekts. Mit zunehmender Luftströmung, die selbst eine Kühlung verursachte, reduzierte sich diese Temperaturdifferenz auf etwa vier Kelvin.

Diese Versuche belegen, dass transparente Hüllen mit einem hohen Emissionsgrad für eine effektive passive Kühlung geeignet sind. Vor einer Anwendung müssten allerdings große und möglichst auch flexible Flächen aus mikrostruktuiertem Quartz günstig produziert werden können. Zhu und Kollegen sehen mögliche Anwendungen etwa für neue Baumaterialien. Doch auch die Entwickler von Solarmodulen, deren Wirkungsgrade bei erhöhten Temperaturen sinken, könnten von diesem Kühlungskonzept profitieren.

Jan Oliver Löfken

DE

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