Forschende des CSIC entwickeln eine Polymer-Nanostruktur, die Wärme mit Hilfe von Sonnenstrahlung ins All ableitet und so den Bedarf an Klimaanlagen in Gebäuden, Fahrzeugen und Elektronik senken könnte.
Ein Team von Forschenden des Instituts für Mikro- und Nanotechnologie (IMN-CNM, CSIC) hat ein Nanomaterial entwickelt, das sonnenexponierte Oberflächen ohne Stromverbrauch kühlen kann. Es bietet eine Alternative, die die wachsende Energierechnung für Kühlung dämpfen könnte, die bereits für rund 20 % des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich ist.
WERBUNG
WERBUNG
Die Studie, die die Gruppe Functional Nanoscale Devices for Energy (FINDER) leitet und die 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 aufgehalten zu werden. Ein Material, das in dieser Fensterregion stark abstrahlt und zugleich die Sonnenstrahlung reflektiert, kann kälter werden als die Luft drumherum – ganz ohne Steckdose und ohne Kompressor.
Ein Polymer mit genau den richtigen Eigenschaften
Die Forschenden setzten auf Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein Polymer, das schon bisher für seine starke Wärmeabstrahlung im Infrarotbereich bekannt war. Cristina Vicente, Forscherin am IMN-CNM und Leiterin des Projekts COOLed, erklärt, dieses Material „vereint mehrere Eigenschaften“, die es besonders geeignet machen: Es gibt Wärme effizient ab, hält ultravioletter Strahlung stand, stößt Wasser ab, erhält so einen selbstreinigenden Effekt und bleibt auch unter freiem Himmel stabil.
Entscheidend für den Fortschritt ist jedoch weniger das Material selbst als seine Struktur. Das Team infiltrierte das Polymer in nanoporöse Schablonen aus anodisiertem Aluminiumoxid und erzeugte dreidimensionale Strukturen, deren innere Geometrie es präzise steuern kann. Das ist wichtig, weil die optische Leistung dieser Kühler maßgeblich vom Design im Nanomaßstab abhängt.
Die Zahlen bestätigen das Potenzial: Die optimierte Version des Materials, nach der Infiltration des Polymers mit extrem schneller Kühlung behandelt, reflektiert im Mittel 82,4 % der Sonnenstrahlung und strahlt 96,7 % der Wärme im infraroten Fenster von 8 bis 13 Mikrometern ab, also in dem Bereich, in dem diese Wärme ins All entweichen kann.
Nach den theoretischen Berechnungen ergibt diese Kombination eine Kühlleistung von 182,3 Watt pro Quadratmeter bei einer solaren Einstrahlung von 1.000 W/m². Der Praxistest auf dem Dach in Tres Cantos, bei einer maximalen Einstrahlung von 962 W/m², bestätigte diesen Wert im realen Umfeld.
Knapp 13 Grad weniger auf dem Dach
Die Theorie wurde vergangenen Sommer geprüft, bei Freilandversuchen auf dem Dach des Zentrums in Tres Cantos bei Madrid. Das Material erhielt zuvor eine Behandlung mit ultraviolettem Licht, die es aufhellt und seine Reflexion der Sonnenstrahlung verbessert. Dann kamen die Ergebnisse: An den heißesten, trockensten und sonnigsten Tagen blieb die beschichtete Oberfläche bis zu 12,9 Grad Celsius kühler als eine Vergleichsprobe ohne Beschichtung.
Die Forschenden selbst betonen, dass die Technologie noch in der Entwicklung ist. Sie heben aber hervor, dass der Herstellungsprozess relativ kostengünstig ist und sich mit bereits etablierten industriellen Verfahren kombinieren lässt. Das eröffnet Einsatzmöglichkeiten von Gebäudefassaden und Dächern über elektronische Geräte und Fahrzeuge bis hin zu persönlicher Kühltechnik – alle mit demselben Ziel: die Abhängigkeit von Klimaanlagen zu verringern und die damit verbundenen Emissionen zu senken.