Ganz ohne Elektrizität und teure Nebenkosten die eigenen vier Wände im Hochsommer angenehm kühl halten? Eine neuartige Methode zur Kühlung ohne Strom verspricht genau das, indem sie Wärme als unsichtbare Infrarotstrahlung direkt in das eiskalte Weltall ableiten soll.
Im Rahmen der globalen Energiewende geht es nicht nur darum, wie Strom umweltfreundlich produziert wird, sondern auch darum, wie er im Alltag eingespart werden kann. Massive Energiefresser sind etwa herkömmliche Klimaanlagen. Ein Forscherteam des Instituto de Micro y Nanotecnología hat nun eine vielversprechende Alternative demonstriert. Die sogenannte passive tageszeitliche Strahlungskühlung: Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC).
Das Prinzip basiert auf zwei einfachen Mechanismen, bei denen ein neues nanostrukturiertes Polymer einerseits Sonnenlicht reflektiert und andererseits Hitze in den Weltraum ableitet. Es macht sich dabei eine gewisse Eigenschaft zunutze. Denn unsere Erdatmosphäre hat für Infrarotwellen in einem bestimmten Bereich (dem atmosphärischen Fenster von acht bis 13 Mikrometern) eine Art „offenes Fenster“. Die vom Material abgegebene Wärme bleibt also nicht in der Atmosphäre hängen, sondern entweicht durch dieses Fenster direkt in den eiskalten Weltraum.
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Mikroskopische Schwämme und UV-Licht: So wird Kunststoff zum Hitzeschild
Um diesen Effekt in der Praxis optimal zu nutzen, setzen die Forscher auf einen speziellen Kunststoff namens Polyvinylidenfluorid (PVDF). Damit dieser Kunststoff seine Kühlwirkung entfalten kann, wird er flüssig in eine mikroskopisch kleine, dreidimensionale Schablone aus anodischem Aluminiumoxid (3D-AAO) gegossen.
Die Schablone ist wie ein winziger Schwamm mit unzähligen Nanoporen. Das Team untersuchte drei verschiedene Abkühlungsmethoden für den Kunststoff: natürlich, schnell und ultraschnell. Dadurch wollten sie dessen Struktur und optische Eigenschaften auf die Kühlungsaufgabe einstellen.
Die ultraschnelle Kühlung lieferte laut den Angaben für das freistehende Material die besten Resultate. Zusätzlich wendeten die Wissenschaftler einen weiteren Trick an. Sie behandelten das Material mit UV-Licht. Dieser Schritt löste eine sogenannte Fotooxidation aus. Das bedeutet, dass der Kunststoff ausbleicht und noch weißer wird. Durch dieses „Weißen“ reflektiere das Material die Sonneneinstrahlung noch effektiver.
Die Messungen der Studie zeigen folgende Zahlen. Das optimierte PVDF-Material reflektierte durchschnittlich 82,4 Prozent der Sonnenstrahlung (im Bereich von 0,32 bis 2,5 Mikrometern). Gleichzeitig gab es 96,7 Prozent seiner Wärme als Infrarotstrahlung ab. Daraus ergibt sich bei einer Sonneneinstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter eine enorme theoretische Kühlleistung von 182,3 Watt pro Quadratmeter.
Ein Test unter freiem Himmel liefert den Beweis für die Kühlung ohne Strom
In einem realen Outdoor-Test bei starker Sonneneinstrahlung (in der Spitze 962 Watt pro Quadratmeter) soll dieser Ansatz eine tatsächliche Temperaturreduktion von 12,9 Grad Celsius im Vergleich zu einer leeren Referenzbox erreicht haben. Das ist ein Kühleffekt, für den wir normalerweise eine klassische, strombetriebene Anlage auf Hochtouren laufen lassen müssten.
Die Forscher kommen in ihrer Arbeit zu dem Schluss, dass sie mit diesem Verfahren eine skalierbare Strategie zur Herstellung dreidimensionaler Polymer-Nanostrukturen entwickelt haben. Das bedeutet, dass sich dieser Prozess potenziell für größere Bauvorhaben nutzen lässt. Künftig könnten solche hochleistungsfähigen strahlungskühlenden Materialien in energieeffizienten Gebäudetechnologien zum Einsatz kommen, um Häuser an heißen Sommertagen vollkommen passiv und klimafreundlich zu kühlen.
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