CSIC-Forscher entwickeln eine Polymer-Nanostruktur, die Wärme ins All abstrahlt und so den Bedarf an Klimaanlagen in Gebäuden, Autos und Elektronik senken könnte.
Ein Forschungsteam vom Institut für Mikro- und Nanotechnologie (IMN-CNM, CSIC) hat ein Nanomaterial entwickelt, das sonnenexponierte Oberflächen ohne Stromverbrauch kühlen kann. Diese Alternative könnte die wachsenden Energiekosten für Kühlung senken, die bereits für fast 20 % des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich ist.
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Die Studie, die die Gruppe Functional Nanoscale Devices for Energy (FINDER) verantwortet und in der Fachzeitschrift Nanophotonics erschienen ist, setzt auf passive, radiative Kühlung am Tag. Diese Technik nutzt eine Besonderheit der Erdatmosphäre: Im Infrarotspektrum gibt es ein Fenster zwischen 8 und 13 Mikrometern, durch das Wärme direkt ins All entweichen kann, ohne in der Atmosphäre hängen zu bleiben. Ein Material, das in diesem Fenster stark abstrahlt und zugleich die Sonneneinstrahlung reflektiert, kann kühler werden als die umgebende Luft – ganz ohne Stromanschluss oder Kompressor.
Ein Polymer mit den richtigen Eigenschaften
Die Forschenden entschieden sich für Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein Polymer, das bereits dafür bekannt ist, Wärme im Infrarotbereich abzustrahlen. Cristina Vicente, Wissenschaftlerin am IMN-CNM und Leiterin des Projekts COOLed, erklärt, dieses Material „vereint eine Kombination von Eigenschaften“, die es besonders geeignet machen: Es gibt Wärme effizient ab, ist beständig gegenüber ultravioletter Strahlung, stößt Wasser ab, was einen selbstreinigenden Effekt erzeugt, und hält Witterungseinflüssen gut stand.
Der entscheidende Fortschritt liegt weniger im Material selbst als in seiner Strukturierung. Das Team infiltrierte das Polymer in nanoporöse Schablonen aus anodisiertem Aluminiumoxid. So entstanden dreidimensionale Strukturen, deren innere Geometrie sich präzise steuern lässt. Das ist zentral, denn die optische Leistung dieser Kühler hängt stark vom Design im Nanomaßstab ab.
Die Zahlen stützen diese Hoffnungen: Die optimierte Version des Materials, die nach der Polymerinfiltration einem ultraschnellen Abkühlprozess unterzogen wurde, reflektiert im Mittel 82,4 % der Sonnenstrahlung und strahlt 96,7 % der Wärme im Infrarotfenster zwischen 8 und 13 Mikrometern ab – genau in dem Bereich, in dem die Wärme ins All entweichen kann.
Auf dem Papier entspricht diese Kombination einer Kühlleistung von 182,3 Watt pro Quadratmeter bei einer Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m². Der Praxistest auf dem Dach in Tres Cantos mit einer maximalen Einstrahlung von 962 W/m² bestätigte diesen Wert unter Realbedingungen.
Fast 13 Grad weniger auf dem Dach
Im vergangenen Sommer testeten die Forschenden ihre Theorie bei Freiluftversuchen auf dem Dach des Zentrums in Tres Cantos bei Madrid. Nachdem sie das Material mit ultraviolettem Licht behandelt hatten, wodurch es aufhellt und Sonnenlicht besser reflektiert, lagen die Ergebnisse vor: An den heißesten, trockensten und sonnigsten Tagen blieb die beschichtete Oberfläche bis zu 12,9 °C kühler als eine Referenzprobe ohne Beschichtung.
Die Forschenden selbst betonen, dass die Technologie noch in der Entwicklung steckt. Zugleich heben sie hervor, dass der Herstellungsprozess vergleichsweise günstig ist und sich in bestehende Industrieabläufe integrieren lässt. Das eröffnet Einsatzmöglichkeiten von Gebäudefassaden und Dächern über elektronische Geräte und Fahrzeuge bis hin zu persönlicher Kühlung. Das Ziel bleibt immer dasselbe: die Abhängigkeit von Klimaanlagen und die damit verbundenen Emissionen deutlich zu verringern.