Passive Kühlung mit nanophotonischem Material

  • 26. November 2014

Mehrschichtiger Spiegel emittiert Infrarotstrahlung und reflektiert zugleich einfallendes Sonnenlicht.

Enorme Strommengen sind weltweit für den Betrieb von Klimaanlagen nötig. So summiert sich der Stromverbrauch allein in den USA jedes Jahr auf knapp 200 Terawattstunden, das entspricht etwa einem Drittel des gesamten Jahresbedarfs in Deutschland. Eine Alternative zu den aktiv kühlenden Klimaanlagen sieht eine Forschergruppe an der Stanford University in Kalifornien in passiver Wärmeabstrahlung. Aaswath Raman und seine Kollegen entwickelten einen Spiegel, der wärmende Sonnenstrahlung reflektiert und gleichzeitig Wärmestrahlung emittiert. Mit einem ersten Prototyp konnten die Wissenschaftler die Umgebungstemperatur um fast fünf Grad Celsius absenken.

Wirkweise des passiv kühlenden Spiegels

Abb.: Illustration der Wirkweise des passiv kühlenden Spiegels. Sonnenlicht wird direkt reflektiert und zusätzliche Infrarot-Strahlung durch das atmosphärische Fenster emittiert. (Bild: Fan Lab, Stanford Engineering)

„Eine sich stetig erwärmende Welt braucht Kühltechniken, die keinen Strom verbrauchen“, sagt Raman. Um dieses Ziel zu erreichen, optimierte er mit seinen Kollegen einen mehrschichtigen, Infrarotstrahlung emittierenden Werkstoff. Bisherige passive Infrarot-Abstrahler funktionieren nur nachts, wenn kein wärmendes Sonnenlicht dem Kühleffekt entgegen wirkt. Der neue Prototyp dagegen reflektiert dank einer ausgeklügelten Schichtstruktur gleichzeitig zur Wärmeabstrahlung 97 Prozent des tagsüber einfallenden Sonnenlichts.

Grundlage des passiv kühlenden Spiegels bildete ein Silizium-Wafer mit 20 Zentimetern Durchmesser. Auf diesen Träger deponierte das Team zuerst eine 20 Nanometer dünne Titanschicht, abgedeckt mit einer hoch reflektierenden, 200 Nanometer dicken Lage aus Silber. Darauf dampften die Forscher insgesamt sieben weitere dünne Schichten aus den dielektrischen Materialien Siliziumdioxid und Hafniumdioxid. Mit zunehmenden Schichtdicken zwischen 13 und 688 Nanometern entstand ein passiver Infrarot-Emitter, der Wärmestrahlung im Spektralbereich zwischen 8 und 13 Mikrometern abstrahlte. Die Wahl dieses Bereichs geschah nicht zufällig, da es genau dem atmosphärischen Fenster für Infrarotstrahlung entspricht. So konnte die emittierte Wärmestrahlung in den Weltraum gelangen und eine unerwünschte Erwärmung der Atmosphäre vermieden werden.

Um die Effizienz ihres nanophotonischen Spiegels zu ermitteln, setzten die Forscher ihn direkter Sonnenstrahlung auf dem Dach ihres Institutsgebäudes aus. Bei einer solaren Einstrahlungsleistung von über 850 Watt pro Quadratmeter ließ sich die Luft direkt unterhalb des Spiegels um 4,9 Grad unter die Umgebungstemperatur abkühlen. Dieser passive Kühleffekt über radiativen Wärmetransport könnte damit für die Kühlung vieler Gebäude ausreichen.

Vor einer technischen Anwendung müssen die Wissenschaftler allerdings noch wichtige Probleme lösen. So müssen für eine effiziente Gebäudekühlung großflächige Spiegel möglichst günstig produziert werden. Vor allem ein für die Massenfertigung taugliches Beschichtungsverfahren ist dazu nötig. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass hierzu Technologien zur Anwendung kommen könnten, die derzeit für die Produktion großflächiger Solarmodule genutzt werden.

Schwieriger dagegen wird es, die warme Luft aus dem Innern der Gebäude in unmittelbare Nähe zu den Spiegeln zu transportieren. Denn erst dann kann die radiative Kühlung effizient wirken. Vorstellbar wäre die Kopplung der Spiegel an einen Lüftungskreislauf. Um aber tatsächlich weniger Strom als herkömmliche, aktive Klimaanlagen zu verbrauchen, müsste der Strombedarf der dazu nötigen Ventilatoren möglichst gering sein. Sollten diese Hürden überwunden werden, schätzen Raman und Kollegen, dass durch passive Kühlung bis zu 15 Prozent des Primärenergieverbrauchs von Gebäuden eingespart werden könnte.

Jan Oliver Löfken

RK

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