Angesichts der sich verschärfenden globalen Energiekrise und des beschleunigten Klimawandels wird es immer dringlicher, nachhaltige Lösungen für das Energiemanagement zu finden. Ein vielversprechender Ansatz ist die passive Strahlungskühlung, eine Technologie, die es ermöglicht, Objekte abzukühlen, indem sie Wärme direkt in den Weltraum abgibt, ohne dass zusätzliche Energie benötigt wird.
Strahlungskühlmaterialien sollten eine hohe Sonnenreflexion und -emission aufweisen. Es wurden verschiedene Strahlungskühlmaterialien entwickelt, die meisten davon weisen jedoch eine statische Emission auf. Dies bedeutet, dass die Strahlungskühlmaterialien bei niedriger Umgebungstemperatur immer noch eine starke Kühlleistung aufweisen, was zu einer „Überkühlung“ führt, die den Energieverbrauch des Heizsystems erhöht. Thermochrome Phasenwechselmaterialien hingegen sind ideale Kandidaten für dynamische Strahlungskühlung. Keine Stromquelle, Schaltkreise oder bewegliche Teile erforderlich.
Forscher am Beijing Institute of Technology haben in dieser Hinsicht kürzlich bedeutende Fortschritte erzielt. Wie berichtet In Fortgeschrittene Photonikentwickelten sie einen neuen Typ eines temperaturadaptiven Strahlungskühlgeräts, das seine Kühleigenschaften dynamisch an die Umgebungstemperatur anpasst.
Dieser Fortschritt baut auf früheren Arbeiten mit Vanadiumdioxid (VO2) auf, einem Material, das für seine Fähigkeit bekannt ist, zwischen verschiedenen thermischen Strahlungszuständen zu wechseln. Das neue Design verfügt über eine Metaoberfläche mit einer periodischen Anordnung von VO2-Quadraten, die die Leistung des Geräts verbessert, indem sie eine hohe thermische Emissivität mit geringer Sonnenabsorption in Einklang bringt.
Das neue Gerät mit der Bezeichnung „Temperature-Adaptive Metasurface Radiative Cooling Device“ (ATMRD) weist gegenüber früheren Designs bemerkenswerte Verbesserungen auf. Es hat eine Sonnenabsorption von nur 27,71 % – das sind 7,54 % weniger als bei früheren Modellen – und eine Emissivität von 0,85 bei hohen Temperaturen – das sind 13,3 % mehr. Darüber hinaus ist seine Fähigkeit, die Emissivität zu modulieren, um 20 % besser als bei früheren Geräten, wodurch es Temperaturschwankungen effizienter bewältigen kann.
„Durch die Integration einer temperaturadaptiven Metaoberfläche mit Vanadiumdioxid haben wir die Effizienz von Strahlungskühlungstechnologien deutlich verbessert. Unser neues Gerät reduziert nicht nur die Sonnenabsorption, sondern verbessert auch die Wärmeemission und löst damit das kritische Problem der Überkühlung. Dieser Fortschritt ist sehr vielversprechend für die Optimierung des Energieverbrauchs und die Weiterentwicklung nachhaltiger Wärmemanagementlösungen“, sagte der leitende Forscher Prof. Jingbo Li.
Diese Arbeit verdeutlicht, wie die geometrischen Parameter der Überstruktur die Geräteleistung beeinflussen, und enthüllt den Mechanismus der verbesserten Wärmestrahlungsleistung durch durch die Überstruktur angeregte Mehrfachresonanzen. Die vorgestellte Forschung bietet wertvolle theoretische und praktische Referenzen für die Gestaltung und Entwicklung funktionaler VO2-Überstrukturgeräte und hat das Potenzial, die Bereiche Wärmemanagement und erneuerbare Energien erheblich zu beeinflussen.
Die gewonnenen Erkenntnisse unterstreichen das Potenzial moderner Werkstoffe und Konstruktionsverfahren zur Verbesserung von Strahlungskühlungstechnologien und könnten zu wirksameren Wärmemanagementlösungen führen und so zu Energieeinsparungen und einer nachhaltigeren Zukunft beitragen.
Weitere Informationen:
Junlin Yang et al., Temperaturadaptives Strahlungskühlgerät für Metaoberflächen mit ausgezeichneter Emittanz und geringer Sonnenabsorption zur dynamischen Wärmeregulierung, Fortgeschrittene Photonik (2024). DOI: 10.1117/1.AP.6.4.046006