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Faszinierender Forschungserfolg: Ausgabe 07/2020, 07.05.2020

Kühlung ohne Strom dank den besonderen Eigenschaften einer Materialschicht

Es handelt sich hier um eine Materialschicht, die das einfallende Sonnenlicht blockiert, aber die Wärme abstrahlen lässt. Ein faszinierender Forschungserfolg, der unter anderem zukünftigen Elektroniksystemen zu höherer Performance verhelfen kann.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: MIT-Forschung

Man stelle sich ein Gerät vor, das sich an einem klaren Tag unter glühendem Sonnenlicht befinden kann und ohne jeglichen Stromverbrauch die Elektronik um mehr als 13 °C abkühlt. Es klingt fast wie Magie, aber ein neues System, das von Forschern am MIT und in Chile entwickelt wurde, kann genau das bewerkstelligen.

Einfallendes Sonnenlicht blockieren D
as Gerät, das keine beweglichen Teile aufweist, arbeitet nach einem Verfahren, das Strahlungskühlung genannt wird. Es blockiert das einfallende Sonnenlicht, um es nicht zu erwärmen, und strahlt gleichzeitig effizient Infrarotlicht – im Wesentlichen Wärme – aus, die in die Umgebungsluft oder in den Weltraum gelangt und das Gerät deutlich unter die Umgebungstemperatur abkühlt.

Erinnert an Marshmallows
Der Schlüssel für die Funktion dieses einfachen, kostengünstigen Systems ist eine spezielle Isolierung, die aus einem PolyethylenSchaumstoff, einem so genannten Aerogel, besteht. Dieses leichte Material, das ein bisschen wie Marshmallows aussieht und sich auch so anfühlt, blockiert und reflektiert die sichtbaren Sonnenstrahlen, sodass sie das zu schützende Gerät nicht «treffen» können. Aber das Material ist hochtransparent für die Infrarotstrahlen, die Wärme ungehindert nach aussen transportieren.
Das neue System wurde in einem Beitrag in «Science Advances» beschrieben, der vom MIT-Absolventen Arny Leroy, Professorin Evelyn Wang und sieben weiteren Personen am MIT und an der Universität von Chile verfasst wurde.

Geeignet, um Obst und Gemüse vor dem Verderben zu bewahren
Ein solches System könnte zum Beispiel auch dazu dienen, Gemüse und Obst vor dem Verderben zu bewahren, wodurch sich die Zeit, in der die Produkte frisch bleiben, verdoppeln lässt – ein besonderer Vorteil beispielsweise  für abgelegene Orte, an denen keine zuverlässige Stromversorgung für die Kühlung zur Verfügung steht, erklärte Leroy.

Minimierung des Wärmegewinns
Die Strahlungskühlung ist der Hauptprozess, den die meisten heissen Objekte zur Abkühlung verwenden. Sie geben Infrarotstrahlung im mittleren Wellenbereich ab, die die Wärmeenergie vom Objekt direkt in den Raum transportiert, da Luft für Infrarotlicht hochtransparent ist.

Hocheffiziente Isolierschicht
Das neue Gerät basiert auf einem Konzept, das Wang und andere Wissenschaftler vor einem Jahr demonstrierten und bei dem ebenfalls eine Strahlungskühlung verwendet wurde. Aber es hatte eine physikalische Barriere, einen schmalen Metallstreifen, um das Gerät vor direktem Sonnenlicht zu schützen und so eine Erwärmung zu verhindern. Dieses Gerät funktionierte, doch es lieferte weniger als die Hälfte der Kühlleistung, die das neue System aufgrund seiner hocheffizienten Isolierschicht erreicht.

«Wie hält man die Oberfläche kalt  und lässt sie dennoch strahlen?»
«Das grosse Problem war die Isolierung», erklärte Leroy. Der grösste Wärmeeintrag, der verhinderte, dass das frühere Gerät eine tiefere Kühlung erreichte, kam von der Wärme der Umgebungsluft. «Wie hält man die Oberfläche kalt und lässt sie dennoch strahlen», fragte er sich. Das Problem ist, dass fast alle Isoliermaterialien auch sehr gut Infrarotlicht blockieren und somit den Strahlungskühlungseffekt stören würden.
Es wird viel geforscht, um Wärmeverluste zu minimieren, meinte Professorin Wang. Aber dies ist ein anderes Thema, dem viel weniger Aufmerksamkeit gewidmet wurde: Wie man den Wärmegewinn minimieren kann. «Es ist ein sehr schwieriges Problem», sagte sie.

Mikroskopisch kleine schaumähnliche Gebilde
Die Lösung kam durch die Entwicklung eines neuen Aerogels. Ein Aerogel ist ein leichtes Material, das zum grössten Teil aus Luft besteht und eine sehr gute Wärmedämmung bietet – mit einer Struktur, die aus mikroskopisch kleinen schaumähnlichen Gebilden aus irgendeinem Material besteht.
Die neue Erkenntnis des Teams war die Herstellung eines Aerogels aus Polyethylen. Ein Material, das zum Beispiel in vielen Plastiktüten verwendet wird. Das Ergebnis war ein weiches, matschiges und weisses Material, das so leicht ist, dass ein bestimmtes Volumen nur 1/50 des Gewichts des gleichen Wasservolumens aufweist.

«Wir waren sehr aufgeregt ...»
Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, dass es zwar mehr als 90 Prozent des einfallenden Sonnenlichts blockiert und so die darunterliegende Oberfläche vor Erwärmung schützt, aber für Infrarotlicht sehr transparent ist und etwa 80 Prozent der Wärmestrahlen frei nach aussen durchlässt. «Wir waren sehr aufgeregt, als wir dieses Material sahen», meinte Leroy.
Das Ergebnis ist eine Platte aus Metall oder Keramik, die sich unter der Isolierschicht, dem so genannten Emitter, befindet und erheblich abkühlen kann. Diese Platte könnte dann einen mit ihr verbundenen Behälter kühlen; oder aber eine Flüssigkeit, die durch Spulen fliesst, um für die Kühlung von Systemen, Luft oder Wasser zu sorgen.

Auf dem Prüfstand
Um ihre Vorhersagen über die Wirksamkeit zu testen, entwickelte das Team zusammen mit seinen chilenischen Mitarbeitern ein Proof-ofConcept-Gerät in der chilenischen AtacamaWüste, die teilweise als trockenstes Land der Erde gilt. Diese Wüste erhält praktisch keine Niederschläge, aber da sie sich direkt am Äquator befindet, empfängt sie glühendes Sonnenlicht, das das Gerät auf eine echte Probe stellte. Das Testgerät erreichte zur Sonnenmittagszeit eine Abkühlung von 13 °C bei vollem Sonnenlicht. Ähnliche Tests auf dem MIT-Campus in Cambridge, Massachusetts, USA, erreichten knapp 10 °C Kühlung.
Das ist genug Kühlung, um einen signifikanten Unterschied bei einem Systembetrieb zum Beispiel an abgelegenen Orten zu erreichen, meinten die Forscher. Darüber hinaus könnte das System als erste Kühlstufe für eine elektrische Kühlung eingesetzt werden, um die Belastung dieser Systeme zu minimieren und sie so mit weniger Strom effizienter zu betreiben.

Noch höhere Effizienz
Theoretisch könnte ein solches Gerät nach Ansicht der Forscher eine Temperatursenkung von bis zu 50 °C erreichen. Sie arbeiten daher weiter an der Optimierung des Systems, sodass es sich sogar auf andere Kühlanwendungen wie etwa eine Gebäudeklimatisierung ausdehnen lässt, ohne dass eine Stromquelle benötigt wird. Diese Strahlungskühlung wurde bereits in einige bestehende Klimaanlagen integriert, um deren Effizienz zu verbessern.
Schon jetzt haben die MIT-Forscher eine grössere Kühlleistung unter direkter Sonneneinstrahlung erreicht als jedes andere passive, strahlende System, das nicht mit einem isolierenden Vakuumsystem arbeitet – Letzteres ist sehr effektiv, aber auch schwer, teuer und zerbrechlich.
Das neue Verfahren könnte auch ein kostengünstiger Zusatz zu jeder anderen Art von Kühlsystem sein. «Welches System man auch immer hat», sagte Leroy, «man legt das Aerogel darauf und erhält eine viel bessere Kühlleistung».

Infoservice
Massachusetts Institute of Technology
77 Massachusetts Ave. Cambridge, MA, USA
www.mit.edu

 



Links im Foto blockiert und reflektiert eine Scheibe des neuen Isoliermaterials das sichtbare Licht und verbirgt das darunterliegende MIT-Logo. Rechts: Bei Infrarotlicht ist das Material jedoch transparent und das Logo somit sichtbar.


In Feldversuchen wurde die Leistung der Strahlungskühleinheit unter voller Sonneneinstrahlung gemessen, sowohl mit (links) als auch ohne Isoliermaterial (rechts).