Der Hitze trotzen: Diese Pflanze

Jennifer Ouellette – 30. Mai 2023, 21:58 Uhr UTC

Der Sommer steht vor der Tür und bringt höhere Temperaturen mit sich, sodass viele von uns an besonders heißen Tagen die Klimaanlage aufdrehen. Der Nachteil von Klimaanlagen besteht darin, dass die Geräte Energie verbrauchen und Treibhausgase ausstoßen können, was wiederum zur globalen Erwärmung beiträgt. Daher besteht großes Interesse an der Entwicklung umweltfreundlicher Alternativen. Wissenschaftler der Universität Cambridge haben eine innovative neue Folie auf pflanzlicher Basis entwickelt, die bei Sonneneinstrahlung kühler wird und sich somit ideal für die künftige Kühlung von Gebäuden oder Autos eignet, ohne dass eine externe Stromquelle erforderlich ist. Sie stellten ihre Arbeit kürzlich auf einem Treffen der American Chemical Society vor.

Der Fachbegriff für diesen Ansatz ist Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC), so genannt, weil zur Wärmeableitung keine Energiezufuhr in das System erforderlich ist. Die Oberfläche gibt ihre eigene Wärme an den Raum ab, ohne von der Luft oder der Atmosphäre absorbiert zu werden, und wird dadurch um mehrere Grad kühler als die Umgebungsluft, ohne dass elektrische Energie benötigt wird.

„Wir wissen, dass es eine spontane Wärmeübertragung zwischen Objekten mit unterschiedlichen Temperaturen gibt“, sagte Qingchen Shen auf einer Pressekonferenz während des Treffens. Ihre Kühltechnologie nutzt diese Wärmeübertragung auf eine besondere Art und Weise. Die meisten PDRC-Materialien (Farben, Folien usw.) sind weiß oder verspiegelt, um eine breitbandige Reflexion des Sonnenlichts zu erreichen. Pigmente oder Farbstoffe stören dies, da sie bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren und nur bestimmte Farben reflektieren und so die Energie des Lichts in Wärme umwandeln. Die Filme von Shen et al. sind gefärbt, aber es handelt sich um eine Strukturfarbe in Form von Nanokristallen, die nicht auf die Zugabe von Pigmenten oder Farbstoffen zurückzuführen ist. So kann Farbe hinzugefügt werden, ohne die passive Kühleffizienz zu beeinträchtigen.

Wie bereits berichtet, stammen die leuchtend schillernden Farben beispielsweise in Schmetterlingsflügeln, Seifenblasen oder Käferpanzern nicht von irgendwelchen Pigmentmolekülen, sondern von der Struktur der Flügel – ein natürlich vorkommendes Beispiel dafür, was Physiker photonische Kristalle nennen. In der Natur sind Chitinschuppen (ein in Insekten vorkommendes Polysaccharid) wie Dachziegel angeordnet. Im Wesentlichen bilden sie ein Beugungsgitter, mit der Ausnahme, dass photonische Kristalle nur bestimmte Farben oder Wellenlängen des Lichts erzeugen, während ein Beugungsgitter ähnlich wie ein Prisma das gesamte Spektrum erzeugt. Photonische Kristalle, auch als photonische Bandlückenmaterialien bekannt, sind „abstimmbar“, was bedeutet, dass sie genau so angeordnet sind, dass sie bestimmte Lichtwellenlängen blockieren und andere durchlassen. Ändern Sie die Struktur, indem Sie die Größe der Kacheln ändern, und die Kristalle werden für eine andere Wellenlänge empfindlich.

Wissenschaftler können ihre eigenen strukturell gefärbten Materialien im Labor herstellen, es kann jedoch schwierig sein, den Prozess für kommerzielle Anwendungen zu erweitern, ohne die optische Präzision zu beeinträchtigen. Daher ist die Schaffung von Strukturfarben, wie sie in der Natur vorkommen, ein aktives Gebiet der Materialforschung.

Letztes Jahr haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology beispielsweise eine vom Physiker Gabriel Lippmann erfundene holografische Fotografietechnik aus dem 19. Jahrhundert adaptiert, um chamäleonartige Filme zu entwickeln, die beim Strecken ihre Farbe ändern. Die Folien wären ideal für die Herstellung von Verbänden, die ihre Farbe als Reaktion auf Druck ändern und medizinisches Fachpersonal darüber informieren, wenn sie eine Wunde zu fest umschließen – ein wichtiger Faktor bei der Behandlung von Erkrankungen wie Venengeschwüren, Druckgeschwüren, Lymphödemen und Narbenbildung. Kinder würden gerne Verbände tragen, die ihre Farbe ändern, was für Kinderärzte ein Segen wäre. Und die Möglichkeit, große Bahnen aus dem Material herzustellen, eröffnet Anwendungen in der Bekleidungs- und Sportbekleidung.

Ein gutes PDRC-Material muss tagsüber kühler bleiben als die Luft um es herum, das heißt, es muss viel Sonnenlicht reflektieren, ohne es zu absorbieren. Shen und seine Kohorten beschlossen, für ihre passiv kühlenden schillernden Filme mit pflanzlichen Materialien zu arbeiten, insbesondere Zellulose. „Zellulose ist das am häufigsten vorkommende Polymer in der Natur“, sagte Shen über die Materialwahl. „Zellulose ist leicht in Holz oder Baumwolle zu finden. Als natürliches Material ist Zellulose nachhaltig und biokompatibel. Außerdem absorbiert es nahezu keine Sonnenenergie und weist einen sehr hohen thermischen Emissionsgrad im Infrarotbereich auf. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Erreichung.“ Strahlungskühlung.“

Der Trick besteht darin, zwei unterschiedliche Ebenen mit unterschiedlichen Funktionen zu verwenden. Eine Schicht besteht laut Shen aus Zellulose-Nanokristallen, die aus erneuerbaren Quellen wie Holz gewonnen werden können. Nach der Extraktion werden die Nanokristalle in Wasser dispergiert, und wenn das Wasser verdunstet, organisieren sich die Nanokristalle selbst zu einer photonischen Kristallstruktur. Der resultierende Film reflektiert also sichtbares Licht bei bestimmten Wellenlängen, um diese ästhetisch ansprechenden Farben zu erhalten – in diesem Fall hellgrün und blau, obwohl Shen sagte, dass man die Cellulose-Nanokristallsuspension anpassen könnte, um andere Farben wie Rot zu erhalten.

Die zweite Schicht besteht aus poröser Ethylzellulose, die dazu dient, jegliches Licht zu streuen, das die Zellulose-Nanokristallschicht durchdringt. Zwischen den beiden Schichten erhält man sowohl die Farbe als auch die breitbandigen Solarreflexionseigenschaften, die für PDRC erforderlich sind. Als Shen et al. Als sie die Leistung ihrer farbigen Folien unter Sonnenlicht maßen, stellten sie fest, dass die Folien fast 7 °F kühler [korrigiert] als die Umgebungsluft waren und dass ein Quadratmeter Folie etwa 120 Watt Kühlleistung erzeugte – vergleichbar mit einer durchschnittlichen Klimaanlage zu Hause. C-Einheit.

Die Forscher sind zuversichtlich, dass ihr Herstellungsprozess für kommerzielle Anwendungen ausreichend skaliert werden kann; Mit einer Standardfertigungslinie können sie bereits mehrere Meter am Stück herstellen. Zusätzlich zum Einsatz zur passiven Kühlung von Gebäuden und Autos – die Verfügbarkeit von Farben würde die Folien laut Shen besonders für die Automobilindustrie attraktiv machen – könnten die Folien auch als Sensoren zur Erkennung von Wetteränderungen oder Verschmutzungsgraden eingesetzt werden. Das Team experimentiert auch damit, der Ethylzelluloseschicht ihrer Folien eine Textur zu verleihen, wie sie in verschiedenen Arten von Holzoberflächen zu finden ist, was sie für den Einsatz in Häusern oder anderen Gebäuden attraktiver machen könnte.