Temperaturempfindliches Baumaterial ändert seine Farbe, um Energie zu sparen

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Das Material enthält eine Schicht, die zwei Konformationen annehmen kann: massives Kupfer, das die meiste Infrarotwärme zurückhält, was dazu beiträgt, das Gebäude warm zu halten; oder eine wässrige Lösung, die Infrarot aussendet und zur Kühlung des Gebäudes beitragen kann. KREDIT
University of Chicago PME – Bild mit freundlicher Genehmigung der Hsu Group

Abstract:
Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago haben ein chamäleonartiges Baumaterial entwickelt, das seine Infrarotfarbe – und wie viel Wärme es absorbiert oder abgibt – je nach Außentemperatur ändert. An heißen Tagen kann das Material bis zu 92 Prozent der darin enthaltenen Infrarotwärme abgeben und so zur Kühlung des Gebäudeinneren beitragen. An kälteren Tagen emittiert das Material jedoch nur 7 Prozent seines Infrarots und trägt so dazu bei, ein Gebäude warm zu halten.

Temperaturfühlendes Baumaterial ändert seine Farbe, um Energie zu sparen

Chicago, IL | Gepostet am 27. Januar 2023

„Wir haben im Wesentlichen einen energiesparenden Weg gefunden, ein Gebäude wie eine Person zu behandeln; du ziehst eine Schicht an, wenn dir kalt ist, und ziehst eine Schicht aus, wenn dir heiß ist“, sagte Asst. Prof. Po-Chun Hsu, der die in Nature Sustainability veröffentlichte Forschung leitete. „Diese Art von intelligentem Material ermöglicht es uns, die Temperatur in einem Gebäude ohne großen Energieaufwand aufrechtzuerhalten.“

Getrieben vom Klimawandel
Einigen Schätzungen zufolge machen Gebäude 30 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs aus und emittieren 10 Prozent aller globalen Treibhausgase. Etwa die Hälfte dieses Energiefußabdrucks entfällt auf das Heizen und Kühlen von Innenräumen.

„Lange Zeit haben die meisten von uns unsere Innentemperaturregelung als selbstverständlich angesehen, ohne darüber nachzudenken, wie viel Energie sie benötigt“, sagte Hsu. „Wenn wir eine COXNUMX-negative Zukunft wollen, müssen wir meines Erachtens verschiedene Wege in Betracht ziehen, um die Gebäudetemperatur energieeffizienter zu steuern.“

Forscher haben zuvor Strahlungskühlmaterialien entwickelt, die dazu beitragen, Gebäude kühl zu halten, indem sie ihre Fähigkeit zur Emission von Infrarot, der unsichtbaren Wärme, die von Menschen und Objekten ausgestrahlt wird, steigern. Es gibt auch Materialien, die die Emission von Infrarot in kalten Klimazonen verhindern.

„Eine einfache Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist, dass ein vollständig schwarzes Gebäude, das der Sonne zugewandt ist, sich leichter aufheizt als andere Gebäude“, sagte PME-Student Chenxi Sui, der erste Autor des neuen Manuskripts.

Im Winter mag eine solche passive Heizung eine gute Sache sein, aber nicht im Sommer.

Da die globale Erwärmung immer häufiger extreme Wetterereignisse und wechselhaftes Wetter verursacht, müssen sich Gebäude anpassen können; Nur wenige Klimazonen erfordern eine ganzjährige Heizung oder eine ganzjährige Klimaanlage.

Von Metall zu Flüssigkeit und zurück
Hsu und Kollegen entwarfen ein nicht brennbares „elektrochromes“ Baumaterial, das eine Schicht enthält, die zwei Konformationen annehmen kann: festes Kupfer, das die meiste Infrarotwärme zurückhält, oder eine wässrige Lösung, die Infrarot emittiert. Bei jeder gewählten Auslösetemperatur kann das Gerät eine winzige Menge Strom verwenden, um die chemische Verschiebung zwischen den Zuständen zu induzieren, indem es entweder Kupfer in einem dünnen Film ablagert oder dieses Kupfer ablöst.

In der neuen Veröffentlichung beschreiben die Forscher, wie das Gerät schnell und reversibel zwischen dem metallischen und dem flüssigen Zustand umschalten kann. Sie zeigten, dass die Fähigkeit, zwischen den beiden Konformationen umzuschalten, auch nach 1,800 Zyklen effizient blieb.

Dann erstellte das Team Modelle, wie ihr Material die Energiekosten in typischen Gebäuden in 15 verschiedenen US-Städten senken könnte. In einem durchschnittlichen Gewerbegebäude, so berichteten sie, würde der Stromverbrauch zur Herbeiführung elektrochromer Veränderungen im Material weniger als 0.2 % des gesamten Stromverbrauchs des Gebäudes ausmachen, könnte aber 8.4 % des jährlichen HLK-Energieverbrauchs des Gebäudes einsparen.

„Sobald Sie zwischen den Zuständen wechseln, müssen Sie keine Energie mehr aufwenden, um in einem der Zustände zu bleiben“, sagte Hsu. „Für Gebäude, in denen Sie nicht sehr häufig zwischen diesen Zuständen wechseln müssen, verbraucht es also wirklich eine sehr vernachlässigbare Menge an Strom.“

Hochskalieren
Bisher hat Hsus Gruppe nur Stücke des Materials hergestellt, die einen Durchmesser von etwa sechs Zentimetern haben. Sie stellen sich jedoch vor, dass viele solcher Flecken des Materials wie Schindeln zu größeren Blättern zusammengesetzt werden könnten. Sie sagen, dass das Material auch optimiert werden könnte, um verschiedene, benutzerdefinierte Farben zu verwenden – die wässrige Phase ist transparent und nahezu jede Farbe kann dahinter gelegt werden, ohne die Fähigkeit zur Absorption von Infrarot zu beeinträchtigen.

Die Forscher untersuchen nun verschiedene Möglichkeiten, das Material herzustellen. Sie planen auch zu untersuchen, wie Zwischenzustände des Materials nützlich sein könnten.

„Wir haben gezeigt, dass die Strahlungskontrolle eine Rolle bei der Kontrolle eines breiten Bereichs von Gebäudetemperaturen zu verschiedenen Jahreszeiten spielen kann“, sagte Hsu. „Wir arbeiten weiterhin mit Ingenieuren und dem Bausektor zusammen, um zu untersuchen, wie dies zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen kann.“

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Meredith Davis
University of Chicago

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