DIY-Strahlungskühler, der als... entwickelt wurde

Das Do-it-yourself-Kühlerdesign verwendet Klebeband und Aluminiumfolie, um eine Kühlung ohne Strom oder Kältemittel zu erreichen

SPIE – Internationale Gesellschaft für Optik und Photonik

Bild: Wissenschaftler haben eine CO2- und energiefreie Kühlbox entwickelt, die die gängigsten Haushaltsgegenstände verwendet – Klebeband.mehr sehen

Bildnachweis: Jyotirmoy Mandal und Aaswath P. Raman, UCLA.

Der Begriff „Treibhauseffekt“ ist dank des anhaltenden Diskurses über den Klimawandel schon vor Jahrzehnten in den öffentlichen Sprachgebrauch eingedrungen. Der Treibhauseffekt ist ein natürliches Phänomen und beschreibt, wie die Wärme der Sonne in Form von Strahlung von Gasen in der Erdatmosphäre eingefangen wird. Dennoch geht immer noch ein großer Teil der Strahlung in den Weltraum verloren, da diese Wellenlängen von atmosphärischen Gasen schlecht absorbiert werden. Bei diesen Wellenlängen handelt es sich um langwellige Infrarotstrahlung (LWIR).

Die Ausnutzung dieses natürlichen Phänomens zur Kühlung von Objekten wird als passive Strahlungskühlung bezeichnet. Vereinfacht ausgedrückt geht es bei der passiven Strahlungskühlung darum, ein Objekt unter dem Himmel zu platzieren, um seine Temperatur zu senken. Um eine bessere Strahlungskühlung zu gewährleisten, wurden verschiedene Materialien wie Farben und Polymere entwickelt, diese sind jedoch schwierig herzustellen und weisen schwankende Leistungen auf.

In einer kürzlich im Journal of Photonics for Energy (JPE) veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler der Samueli School of Engineering der UCLA jedoch einen Do-it-yourself-Strahlungskühler (umgangssprachlich „DIY“) aus Haushaltsmaterialien wie Klebeband und Aluminiumfolie entwickelt . Das Gerät wird als Forschungsstandard vorgeschlagen. „Unser Gerät ist nicht nur flexibel, robust, skalierbar und kostengünstig, sondern wird auch aus kommerziell erhältlichen Materialien hergestellt. Dies macht es als praktischen und reproduzierbaren Standard attraktiv, der über eine selektive Emission verfügt, an der andere Geräte und Materialien gemessen werden können.“ sagt Aaswath P. Raman, ein korrespondierender Autor dieser Studie.

Sowohl der Klebstoff als auch die Kunststofffolie, die in Scotch®-Klebeband verwendet werden, verfügen über chemische Bindungen, die Wärme im LWIR-Wellenlängenbereich absorbieren und abstrahlen können, was sie zu einer attraktiven Wahl für passive Strahlungskühler macht. Das Forschungsteam entwickelte ein Design, das aus zwei Lagen Klebeband auf Aluminiumfolie besteht. Anschließend führten sie optische Messungen des Kühlers durch und stellten fest, dass das Design eine mäßig selektive Infrarotemission aufwies. „Selektivität“ bezieht sich hier auf den Anteil der Wärme, die durch LWIR-Strahlung innerhalb eines primären atmosphärischen Fensters im Vergleich zur Strahlung bei allen Wellenlängen verloren geht. Sie testeten auch ein alternatives Design mit sputterbeschichtetem Silber, da es weniger Sonnenstrahlung absorbiert als Aluminiumfolie.

Sie fanden heraus, dass die Aluminiumkonstruktion nachts einen Temperaturabfall von 7 °C unter die Umgebungstemperatur erreichen konnte. Sie stellten auch fest, dass das sputterbeschichtete Silberdesign tagsüber einen Temperaturabfall von 2–3 °C erreichen konnte. Schließlich testeten sie das erste Design mit einem Konvektionsschild aus Polyethylen (einer zusätzlichen Schicht zur Reduzierung der Wärmeabsorption) und stellten fest, dass sie einen Temperaturabfall von bis zu 11 °C erreichen konnten. „Der große Temperaturabfall, den wir erreicht haben, kann weiter zur Stromerzeugung durch thermoelektrische Prozesse genutzt werden“, erklärt Jyotirmoy Mandal, der andere korrespondierende Autor.

Der vielleicht wichtigste Teil der Studie ist ihre Reproduzierbarkeit. Die breite Verfügbarkeit und Produktionskonsistenz von 3M-Klebeband machen es zu einem zuverlässigen Standard für Thermokühler. Auch Aluminiumfolie ist markenübergreifend mit relativ konstanten Eigenschaften gut erhältlich. Diese Faktoren tragen zu dem Argument bei, das Klebeband- und Foliendesign als Standardreferenz für alle zukünftigen Designs von Thermokühlern zu verwenden. Auch für die Klassifizierung der Selektivität eines thermischen Strahlers gibt es derzeit keine klaren Grenzen. Dieses Design könnte als solche Schwelle dienen.

JPE-Mitherausgeber Peter Bermel bemerkt: „Diese Arbeit stellt einen möglicherweise wirkungsvollen Weg dar, Strahlungskühlung für ein breites Spektrum kostengünstiger Anwendungen in Forschungsumgebungen zu ‚demokratisieren‘.“ Um seine Einführung als Standard zu fördern, hat das Forschungsteam die Daten aus seinen umfangreichen Experimenten zur optischen Leistung des Designs online öffentlich zugänglich gemacht.

Lesen Sie den Open-Access-Artikel von Xin Huang, Jyotirmoy Mandal und Aaswath P. Raman, „Do-it-yourself-Strahlungskühler als Strahlungskühlungsstandard und Kühlkomponente für das Gerätedesign“, J. Photon. Energie12 (1), 012112 (2021), doi 10.1117/1.JPE.12.012112. Der Artikel ist Teil der JPE Special Series on Radiative Cooling, Gastredakteur von Aaswath P. Raman (University of California, Los Angeles), Xiaobo Yin (University of Colorado, Boulder) und Peter Bermel (Purdue University).

Zeitschrift für Photonik für Energie

10.1117/1.JPE.12.012112

Experimentelle Studie

Do-it-yourself-Strahlungskühler als Strahlungskühlungsstandard und Kühlkomponente für den Geräteaufbau

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