Der Strahlungsmantel hält Objekte warm und kühl

Forscher in China haben einen Thermomantel entwickelt, der Objekte bei heißem Wetter durch Strahlung kühlen und bei kaltem Wetter warm halten kann. Kehang Cui von der Shanghai Jiao Tong University und Kollegen sagen, dass ihre neue Technologie eine vielversprechende Möglichkeit bietet, die Temperatur ohne Energiezufuhr zu regulieren.

Das Heizen und Kühlen von Gebäuden macht etwa 20 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Da der Klimawandel die Häufigkeit und Schwere extremer Wetterereignisse erhöht, werden die Temperaturkontrollsysteme in den kommenden Jahrzehnten noch stärker beansprucht.

Daher sind Forscher daran interessiert, kostengünstige, CO2-neutrale Technologien zu entwickeln, die die Temperaturen passiv regulieren können, ohne auf eine Stromversorgung angewiesen zu sein.

Eine große Herausforderung bei der Schaffung solcher Systeme besteht darin, dass herkömmliche wärmeregulierende Materialien ihr Strahlungsverhalten nicht automatisch ändern können. Einige Kühlmaterialien reflektieren beispielsweise die Sonnenstrahlung, während sie im „Transparenzfenster“ Strahlung im mittleren Infrarotbereich abgeben. Dieses Fenster ist Teil des elektromagnetischen Spektrums, in dem Strahlung nicht von der Atmosphäre reflektiert oder absorbiert wird und diese Emission einen kühlenden Effekt hat. Allerdings geben diese Materialien auch bei kalten Temperaturen Strahlung ab und geben dabei wertvolle Wärme ab.

Jetzt haben Cui und Kollegen einen neuen „Janus Thermal Cloak“ (JTC) entwickelt, der die Temperatur bei allen Umgebungstemperaturen reguliert. „Der Mantel besteht aus einem vollkeramischen, strahlungskühlenden phononischen Metagewebe, das zum Himmel zeigt, und einer Photonen-Recyclingfolie, die nach innen zeigt“, erklärt Cui.

Das Team wählte diese Materialien aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Stabilität, ihrer geringen Kosten und ihrer hervorragenden Feuer- und Korrosionsbeständigkeit. Daher sei der Umhang einfach herzustellen und widerstandsfähig gegenüber rauen Außenumgebungen.

Die aus einer Aluminiumlegierung gefertigte Innenfolie des JTC verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, reflektiert jedoch Strahlung im gesamten Infrarotspektrum nahezu perfekt und fängt die Wärme im Inneren ein. Die Forscher sagen, dass je nach Materialverfügbarkeit auch Materialien wie Keramik, Kupfer und Edelstahl verwendet werden könnten.

Das dem Himmel zugewandte Metagewebe des JTC besteht aus einem aus geflochtenen Quarzfasern gewebten Gerüst, das mit einem zweidimensionalen hexagonalen Bornitridkristall verbunden ist. Dadurch entsteht ein „hyperbolisches“ Material, dessen Reaktion auf einfallende elektromagnetische Wellen vom Winkel ihrer Annäherung abhängt.

Im Gegensatz zur darunter liegenden Folie weist das Metagewebe eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit auf, reflektiert jedoch die Sonnenstrahlung stark – und zwar im sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Dies ist auf Licht-Materie-Wechselwirkungen innerhalb des Metagewebes zurückzuführen, die dazu führen, dass Strahlung im mittleren Infrarotbereich um die Achsen seiner Quarzfasern gestreut wird. Im Transparenzfenster gibt das Metagewebe praktisch die gesamte absorbierte Strahlung wieder ab, ohne sie auf die Folie zu übertragen.

Dadurch bleibt die Wärme im umhüllten Objekt tendenziell erhalten, die Strahlung aus der Umgebung führt jedoch nicht dazu, dass das Objekt erwärmt wird.

Neues elastokalorisches Kühlsystem verspricht kommerzielle Nutzung

Cuis Team testete den JTC an Elektroautos, die auf den Straßen Shanghais geparkt waren, und verglich deren Kabinentemperaturen mit denen unbedeckter Autos. Im Experiment blieben die abgedeckten Autos an heißen Sommertagen etwa 8 °C kühler als die nicht abgedeckten Autos und in kalten Winternächten 6,8 °C wärmer.

„Dies ist das erste Mal, dass wir in Winternächten eine Erwärmung um fast 7 °C gegenüber der Umgebungstemperatur erreichen konnten“, beschreibt Cui. „Das ist auch etwas überraschend für uns – es gibt keine Energiezufuhr oder Sonnenschein und es kann trotzdem zu einer Erwärmung kommen.“ Diese passive Regelung ist besonders wichtig für Elektroautos, da deren Batterien und elektrische Komponenten starken Temperaturschwankungen nicht ohne weiteres standhalten können.

Für Cui und seine Kollegen besteht der nächste Schritt darin, ihr Design zu verbessern – was möglicherweise zu einer Vielzahl spannender praktischer Anwendungen führen wird. „Der Thermomantel ist zuverlässig, wirklich passiv und erfordert weder Phasenwechsel noch bewegliche Teile“, fährt er fort. „Das macht es vielversprechend für den Einsatz in realen Anwendungen in Gebäuden, Fahrzeugen und sogar außerirdischen Umgebungen.“

Die Forschung wird in Gerät beschrieben.