Jeder, der schon einmal sein Auto an einem heißen Sommertag in der Sonne geparkt hat, weiß, dass Glasfenster das Sonnenlicht gut hereinlassen, aber die Wärme schlecht herauslassen. Jetzt haben Ingenieure an der Duke University eine intelligente fensterähnliche Technologie entwickelt, die durch Umlegen eines Schalters abwechselnd die Wärme des Sonnenlichts aufnehmen und ein Objekt abkühlen lassen kann. Dieser Ansatz könnte ein Segen für die Einsparung von Heizkosten sein und den Energieverbrauch allein in den Vereinigten Staaten um fast 20 % senken. Die elektrochrome Technologie - ein Material, das bei Stromzufuhr seine Farbe oder Lichtundurchlässigkeit ändert - wird in dem Artikel "Ultra-Wideband Transparent Conductive Electrode for Electrochromic Synergistic Solar and Radiative Heat Management" beschrieben, der in der Zeitschrift American Chemical Society Energy Letters veröffentlicht wurde.
"Wir haben die allererste elektrochrome Vorrichtung demonstriert, die zwischen solarer Erwärmung und Strahlungskühlung umschalten kann", sagte Po-Chun Hsu, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Materialwissenschaften in Duke. "Unsere elektrochrome Abstimmungsmethode kommt ohne bewegliche Teile aus und ist stufenlos einstellbar.
Intelligente Fenster aus elektrochromem Glas sind eine relativ neue Technologie, die eine elektrochrome Reaktion nutzt, um Glas im Handumdrehen von durchsichtig zu undurchsichtig und wieder zurück zu verwandeln. Es gibt zwar viele Ansätze zur Erzeugung dieses Phänomens, aber bei allen wird ein elektrisch empfindliches Material zwischen zwei dünne Elektrodenschichten geklemmt und dazwischen ein elektrischer Strom geleitet. Während dieser Trick für sichtbares Licht schon schwierig genug ist, wird er noch schwieriger, wenn man auch Licht im mittleren Infrarotbereich (Strahlungswärme) berücksichtigen muss.
In der Arbeit zeigen Hsu und sein Doktorand Chenxi Sui ein dünnes Gerät, das mit beiden Lichtspektren interagiert und dabei zwischen passivem Heiz- und Kühlmodus wechselt. Im Heizmodus verdunkelt sich das Bauteil, um Sonnenlicht zu absorbieren und das Entweichen von Licht im mittleren Infrarotbereich zu verhindern. Im Kühlmodus wird die abgedunkelte, fensterartige Schicht durchsichtig und gibt gleichzeitig einen Spiegel frei, der das Sonnenlicht reflektiert und das Licht im mittleren Infrarotbereich hinter der Vorrichtung entweichen lässt. Da der Spiegel für sichtbares Licht nicht durchlässig ist, würde das Gerät keine Fenster in Wohnungen oder Büros ersetzen, aber es könnte auf anderen Gebäudeoberflächen eingesetzt werden.
"Es ist sehr schwierig, Materialien zu entwickeln, die in beiden Bereichen funktionieren", sagte Hsu. "Unser Gerät verfügt über einen der größten Abstimmungsbereiche bei der Wärmestrahlung, der je demonstriert wurde". Bei der Entwicklung eines solchen Geräts gab es zwei große Herausforderungen zu bewältigen.
Die erste bestand darin, Elektrodenschichten zu schaffen, die Strom leiten und sowohl für sichtbares Licht als auch für Wärmestrahlung transparent sind. Die meisten leitfähigen Materialien wie Metalle, Graphit und einige Oxide sind dafür nicht geeignet, da diese beiden Eigenschaften nicht miteinander vereinbar sind. Die Forscher begannen mit einer ein Atom dicken Graphenschicht, die ihnen zufolge zu dünn ist, um eine der beiden Lichtarten zu reflektieren oder zu absorbieren. Sie ist aber auch nicht förderlich genug, um die Strommenge zu übertragen, die für den Betrieb des Geräts in großem Maßstab erforderlich ist. Um diese Einschränkung zu umgehen, fügten Hsu und Sui ein dünnes Goldgitter auf dem Graphen hinzu, das als Stromautobahn dient. Dadurch wurde zwar die Fähigkeit des Graphens, Licht ungehindert durchzulassen, etwas eingeschränkt, aber der Kompromiss war gering genug, um sich zu lohnen.
Die zweite Herausforderung bestand darin, ein Material zu entwickeln, das zwischen die beiden Elektrodenschichten passt und zwischen der Absorption von Licht und Wärme und deren Durchlässigkeit hin- und herschalten kann. Die Forscher erreichten dies, indem sie sich ein Phänomen zunutze machten, das als Plasmonik bezeichnet wird. Wenn winzige, nanoskalige Metallpartikel nur wenige Nanometer voneinander entfernt sind, können sie aufgrund ihrer Größe und ihres Abstands bestimmte Wellenlängen des Lichts einfangen. In diesem Fall sind die Nanopartikel jedoch zufällig in Clustern verteilt, was zu Wechselwirkungen mit einer breiten Palette von Wellenlängen führt, was für das effiziente Einfangen von Sonnenlicht von Vorteil ist.
In der Demonstration bewirkt der Strom, der durch die beiden Elektroden fließt, dass sich in der Nähe der oberen Elektrode Metall-Nanopartikel bilden. Dies führt nicht nur zu einer Verdunkelung des Geräts, sondern auch dazu, dass das gesamte Gerät sowohl sichtbares Licht als auch Wärme absorbiert und einfängt. Und wenn der elektrische Fluss umgekehrt wird, lösen sich die Nanopartikel wieder in den flüssigen, transparenten Elektrolyten auf. Der Übergang zwischen den beiden Zuständen dauert ein oder zwei Minuten. "In der realen Welt würde das Gerät viele Stunden in dem einen oder anderen Zustand verbringen, so dass der Verlust von ein paar Minuten an Effizienz während des Übergangs nur ein Tropfen auf den heißen Stein ist", so Hsu.
Es gibt noch viele Herausforderungen, um diese Technologie im Alltag nutzbar zu machen. Die größte könnte darin bestehen, die Anzahl der Zyklen zu erhöhen, die die Nanopartikel zwischen ihrer Entstehung und ihrem Zerfall durchlaufen können, da der Prototyp nur ein paar Dutzend Übergänge durchführen konnte, bevor er an Effizienz verlor. Auch die Sonnenreflexion des Kühlmodus ist noch verbesserungsfähig. Hsu hofft, dass in naher Zukunft eine Kühlung unter der Umgebungstemperatur erreicht werden kann.
Wenn die Technologie ausgereift ist, könnte es jedoch viele Anwendungsmöglichkeiten dafür geben. Die Technologie könnte an Außenwänden oder Dächern eingesetzt werden, um Gebäude mit sehr geringem Energieaufwand zu heizen und zu kühlen. Die dynamische Fähigkeit der Gebäudehüllen, erneuerbare Ressourcen zum Heizen und Kühlen zu nutzen, könnte auch die Möglichkeit eröffnen, weniger Baumaterialien zu verwenden, die seit Jahrzehnten eine bedeutende Quelle für Kohlenstoffemissionen sind.
Weitere Informationen finden Sie unter:
https://pratt.duke.edu/about/news/smart-material-switches-between-heating-and-cooling-minutes [This is automatically translated from English]