Es wurden weltweit erste „Phasenwechseltinten“ entwickelt, die die Art und Weise verändern könnten, wie wir Gebäude, Häuser und Autos heizen und kühlen – um eine ausgeklügelte „passive Klima“-Kontrolle zu erreichen – mit enormem Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der globalen Treibhausgasemissionen.
Neue Forschungsergebnisse in The Royal Society of Chemistry’s veröffentlicht Zeitschrift für Materialchemie A unter der Leitung von Dr. Mohammad Taha dokumentiert den Proof-of-Concept von „Phase Change Inks“, die Nanotechnologie zur Temperaturregelung in alltäglichen Umgebungen verwenden. Sie erreichen dies, indem sie die Strahlungsmenge, die sie passieren kann, basierend auf der Umgebung anpassen.
Dr. Taha sagte, dass diese Tinten verwendet werden könnten, um Beschichtungen zu entwickeln, um passives Heizen und Kühlen zu erreichen, wodurch wir uns weniger auf die Energieerzeugung verlassen müssen, um die Temperaturen zu regulieren.
„Menschen verbrauchen viel Energie, um angenehme Umgebungen zu schaffen und aufrechtzuerhalten – zum Heizen und Kühlen unserer Gebäude, Häuser, Autos und sogar unseres Körpers“, sagte Dr. Taha.
„Wir können uns nicht länger nur auf die Energieerzeugung aus erneuerbaren Ressourcen konzentrieren, um unsere Umweltauswirkungen zu reduzieren. Wir müssen auch die Reduzierung unseres Energieverbrauchs als Teil unserer vorgeschlagenen Energielösungen in Betracht ziehen, da die Auswirkungen des Klimawandels Realität werden.
„Indem wir unsere Tinten so konstruieren, dass sie auf ihre Umgebung reagieren, reduzieren wir nicht nur den Energieverbrauch, sondern beseitigen auch die Notwendigkeit zusätzlicher Steuersysteme zur Temperaturregelung, was eine zusätzliche Energieverschwendung darstellt.“
Eine passive Klimatisierung würde ein angenehmes Wohnklima ohne unnötigen Energieaufwand ermöglichen. Um beispielsweise im Winter für eine angenehme Heizung zu sorgen, könnten sich die auf eine Gebäudefassade aufgetragenen Farben automatisch umwandeln, um tagsüber mehr Sonnenstrahlung durchzulassen und nachts eine bessere Isolierung zu schaffen, um die Wärme zu halten. Im Sommer könnten sie sich in eine Barriere verwandeln, um die Wärmestrahlung der Sonne und der Umgebung zu blockieren.
Die vielseitigen „Phase Change Inks“ sind ein Proof-of-Concept, das laminiert, gesprüht oder zu Farben und Baumaterialien hinzugefügt werden kann. Sie könnten auch in Kleidung integriert werden, um die Körpertemperatur in extremen Umgebungen zu regulieren, oder bei der Herstellung von großformatigen, flexiblen und tragbaren elektronischen Geräten wie biegsamen Schaltkreisen, Kameras und Detektoren sowie Gas- und Temperatursensoren.
Dr. Taha sagte: „Unsere Forschung hebt die bisherigen Beschränkungen für die kostengünstige Anwendung dieser Tinten in großem Maßstab auf. Das bedeutet, dass bestehende Strukturen und Baumaterialien nachgerüstet werden können. Bei Interesse der Hersteller könnten die Tinten in fünf bis zehn Jahren auf den Markt kommen.
„Durch die Zusammenarbeit mit der Industrie können wir sie skalieren und sie in bestehende und neue Technologien als Teil eines ganzheitlichen Ansatzes zur Bewältigung der Energieherausforderungen des Klimawandels integrieren.
„Das Potenzial dieses Materials ist riesig, da es für so viele verschiedene Zwecke verwendet werden kann – wie zum Beispiel das Verhindern von Hitzestau in Laptop-Elektronik oder auf Windschutzscheiben von Autos. Aber das Schöne an diesem Material ist, dass wir seine Wärmeabsorptionseigenschaften anpassen können unsere Bedürfnisse.
„Bereits wird eine andere Art von Phasenwechselmaterial zur Herstellung von Smart Glass verwendet, aber unser neues Material bedeutet, dass wir intelligentere Ziegel und Farben entwickeln können. Diese neue Nanotechnologie kann dazu beitragen, bestehende Gebäude nachzurüsten, um sie effizienter zu machen. Es ist besser für die Umwelt und nachhaltig für die Zukunft.“
Der Durchbruch gelang durch die Entdeckung, wie man eine der Hauptkomponenten von „Phasenwechselmaterialien“ – Vanadiumoxid (VO2) – modifizieren kann. Phasenwechselmaterialien verwenden Auslöser wie Wärme oder Elektrizität, um genügend Energie zu erzeugen, damit sich das Material unter Belastung umwandeln kann. Bisher mussten Phasenwechselmaterialien jedoch auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, damit ihre „Phasenwechsel“-Eigenschaften aktiviert werden.
„Wir nutzten unser Wissen darüber, wie diese Materialien zusammengesetzt sind, um zu testen, wie wir die Isolator-to-Metal (IMT)-Reaktion auslösen könnten, bei der das Material im Grunde als Schalter fungiert, um Wärme jenseits einer bestimmten Temperatur – nahe Raumtemperatur (30 – 40 C)“, sagte Dr. Taha.
Dr. Taha sagte, der nächste Schritt werde darin bestehen, die von der University of Melbourne patentierte Forschung in die Produktion zu bringen.
Mehr Informationen:
Mohammad Taha et al, Infrarotmodulation über Phasenübergänge bei nahezu Raumtemperatur von Vanadiumoxiden und Kern-Schale-Verbundwerkstoffen, Zeitschrift für Materialchemie A (2023). DOI: 10.1039/D2TA09753B