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Ein Material, das Wärme in den Weltraum wirft, könnte bald die Klimaanlage neu erfinden
James Tempel
Eli Goldstein, ein frischgebackener Mitbegründer von SkyCool Systems, öffnete das Garagentor an der Seite des beengten Arbeitsplatzes des Stanford-Spinouts in Burlingame, Kalifornien, und rollte eine Reihe quadratischer Silberplatten auf den Parkplatz.
Sie waren gegen die Sonne geneigt, mit etwas bedeckt, das wie vollkommen knitterfreie Aluminiumfolie aussah, und an einem Metallrahmen befestigt, der eine Reihe von Rohren, Röhren und Thermometern hielt.
An diesem Tag erreichten die Temperaturen auf der Halbinsel San Francisco 104 °F, der Beginn einer seltenen und sengenden Hitzewelle in der Bay Area. Vor die Paneele zu treten, fühlte sich an, als würde man an einem offenen Ofen vorbeigehen.
Genau das ist der Punkt. Die Paneele von SkyCool sind im Wesentlichen High-Tech-Spiegel, die Gebäude weitaus effizienter kühlen als herkömmliche Klimaanlagen, indem sie eine seltsame Eigenart der Optik ausnutzen, die es einem schmalen Strahlungsband ermöglicht, in den Weltraum zu entweichen (siehe The Sky May Hold the Secret to Efficient). Klimaanlage ). Je nach Anwendung und klimatischen Bedingungen könnte die Technologie den Energieverbrauch zum Kühlen von Gebäuden um 10 bis 70 Prozent senken, eine der größten Einzelanforderungen an das US-Netz verringern und die Treibhausgasemissionen entsprechend reduzieren.
Zu verstehen, wie es funktioniert, erfordert ein wenig Hintergrundwissen. Alle Objekte geben Wärme in Form von Infrarotstrahlung ab, einer unsichtbaren Form von Licht direkt rechts von Rot im Spektrum. Der Zweck von Jacken, Fäustlingen und Schals ist es, so viel wie möglich von dieser Strahlungswärme zu halten und uns an Wintertagen warm zu halten. Auch die Atmosphäre selbst, hauptsächlich in Form von Wassermolekülen, strahlt einen Teil der Wärme zurück.
Aber ein Splitter von Emissionen im mittleren Infrarotbereich (mit Wellenlängen zwischen acht und 13 Mikrometern, für diejenigen, die Punkte sammeln) schlüpft durch und entkommt durch das, was als a beschrieben wurde Fenster in den Weltraum . Materialien, die Strahlung in diesem Bereich emittieren, werfen sie buchstäblich in die kalten Weiten des Weltraums oder zumindest in die kühle obere Atmosphäre, wodurch die Oberflächen selbst unter die Temperatur der umgebenden Luft sinken. Dieses Naturphänomen führt dazu, dass sich auf Oberflächen unter freiem Nachthimmel wie Autoscheiben und Grashalmen Reif bildet, selbst wenn die Temperaturen nicht den Gefrierpunkt erreichen.
Eine entscheidende Herausforderung für die sinnvolle Nutzung dieses Mechanismus bestand darin, dass die Sonnenwärme tagsüber im Allgemeinen jeden Kühleffekt ausgleicht. Aber in der Forschung zuerst veröffentlicht in Natur Ende 2014 haben die Wissenschaftler hinter SkyCool Systems dieses Problem umgangen, indem sie ein fortschrittliches Material entwickelt haben, das so abgestimmt ist, dass es Infrarotlicht in dem Bereich ausstrahlt, der durch die Atmosphäre gleitet, während es gleichzeitig 97 Prozent des Sonnenlichts reflektiert. Auf einem Dach unter direkter Sonneneinstrahlung platziert, blieb das Material 4,9 ˚C unter der Umgebungstemperatur, a Kühlleistung von 40,1 Watt pro Quadratmeter.
Drei der an dieser Arbeit beteiligten Forscher waren Mitbegründer SkyCool-Systeme im vergangenen Frühjahr in dem Bemühen, die Technologie zu kommerzialisieren. Goldstein ist der Chief Technology Officer des Startups; Aaswath Raman, Hauptautor der Originalarbeit und einer von MIT Technology Review 's 35 Innovators Under 35 im Jahr 2015 fungiert als Chief Executive; und Shanhui-Fan , ein Stanford-Professor für Elektrotechnik, fungiert als Berater.
Die passiven Strahlungskühlpaneele von SkyCool werden in einem Feldversuch in Davis, Kalifornien, evaluiert.
Letzte Woche veröffentlichten die Forscher ein Follow-up Papier in Energie der Natur , was zeigt, dass eine vergrößerte Version der Technologie verwendet werden kann, um fließendes Wasser zu kühlen. Durch die Aufstellung von Platten mit direkt darunter verlaufenden dünnen Wasserrohren senkten die Forscher die Wassertemperatur über drei Testtage um 5 °C. Das Ergebnis legt nahe, dass die Technologie in bestehende Kühlmechanismen integriert werden kann, indem die Kondensatorkomponente ersetzt oder erweitert wird, die in herkömmlichen Klimaanlagen und Kühlsystemen verwendet wird. Durch Modellierung zeigten die Forscher, dass die Integration der Technologie in ein zweistöckiges Bürogebäude in Las Vegas den Strombedarf für die Kühlung im Sommer um 21 Prozent senken würde.
Die Möglichkeit, das System in bestehenden Gebäuden nachzurüsten, wodurch die Kosten für Eigentümer und Mieter gesenkt werden, bedeutet, dass der potenzielle Markt riesig ist. Etwa 14 Prozent der gesamten US-Energieerzeugung gehen in die Kühlung von Wohn- und Geschäftsgebäuden. Das Mondschuss-ARPA-E-Programm des Energieministeriums, das 3 Millionen Dollar bereitgestellt den SkyCool-Forschern im Jahr 2012 heraus, dass fortschrittliche Strahlungskühlpaneele diesen Verbrauch um 10 bis 20 Prozent senken und die Spitzenlastanforderungen an das Stromnetz reduzieren könnten.
Aber weitaus größere Energieeinsparungen könnten für Entwickler möglich sein, die sich dafür entscheiden, Strahlungskühlsysteme während der Entwurfsphase direkt in neue Gebäude zu integrieren, sagt Nick Fernandez, Energieanalyst am Pacific Northwest National Laboratory. Wenn das System mit einem hydronischen Strahlungskühlsystem gekoppelt wäre – eine seltene, aber hocheffiziente Methode zur Gebäudekühlung, bei der Wasser statt Luft zirkuliert – könnten die Energieeinsparungen für Heizung, Kühlung und Belüftung unter idealen Klimabedingungen fast 70 Prozent erreichen , laut einer Simulationsanalyse 2015 erschienen , bei dem Fernandez der Hauptautor war.
SkyCool ist nicht das einzige Unternehmen, das diesen Markt verfolgt. Im Februar veröffentlichte ein Team von Ingenieuren an der University of Colorado, Boulder, a Papier in Wissenschaft beschreibt ein Glas-Polymer-Hybridmaterial, das bei direkter Sonneneinstrahlung eine Strahlungskühlleistung von 93 (Watt pro Quadratmeter) zur Mittagszeit erreichte. Die Forscher betonten, dass sie bereits herausgefunden haben, wie Rollen des filmähnlichen Materials kostengünstig hergestellt werden können, was es zu einer potenziell praktikablen Großtechnologie für private und kommerzielle Anwendungen macht. gemäß zu einer Hochschulschrift.
Wie das Stanford-Team sammelten die Forscher der CU Boulder Geld von ARPA-E, meldeten ein Patent an und gründeten ein Unternehmen. Radi-Cool. Die Wissenschaftler seien in Gesprächen mit potenziellen Investoren und Herstellern, sagt Ronggui Yang, Professor für Maschinenbau, Mitautor des Papiers und amtierender CEO des Startups.
Die Forscher von SkyCool, die sich eine begrenzte Menge zusätzlicher staatlicher und privater Mittel gesichert haben, verbessern weiterhin die Effizienz der fortschrittlichen Materialien. Raman, der CEO des Startups, lehnt es ab, eventuelle Produktpreise zu diskutieren, aber er glaubt, dass alle Vorlaufkosten durch langfristige Energieeinsparungen ausgeglichen werden. Wenn ein Dachheizkörper des Typs, den SkyCool entwickelt, für weniger als 58 Cent pro Quadratfuß produziert und installiert werden könnte, würden die Energieeinsparungen diese Kosten in etwa fünf Jahren decken, schätzt die Studie des Pacific Northwest Lab.
Das Unternehmen führt in Davis, Kalifornien, etwa zwei Stunden von Burlingame im Central Valley entfernt, einen Feldversuch mit seiner neuesten Generation von Paneelen durch und bewertet die Technologie als Möglichkeit, sowohl Klimaanlagen als auch gewerbliche Kühlsysteme zu erweitern.
Der nächste große Meilenstein von SkyCool wird eine groß angelegte Demonstration mit einem frühen Kunden oder Partner sein, die Raman und Goldstein hoffentlich nächstes Jahr beginnen werden. Sie richten sich an Unternehmen mit großem Kühlbedarf, wie Supermärkte und Rechenzentren, wo sich Energieeinsparungen schnell summieren. Gespräche mit potenziellen Kunden haben bereits begonnen.