Bei der Entwicklung des Teams um Yao Zhai von der University of Colorado in Boulder handelt es sich um ein Metamaterial, das etwa so dünn ist wie eine in der Küche verwendete Aluminiumfolie. Ähnlich wie diese kann sie auch in Form von Rollen preiswert hergestellt werden, sagen die Forscher. Auf Oberflächen aufgetragen, kann das Material die darunter befindlichen Objekte kühlen, indem es einen Teil der Sonnenenergie wirksam zurückstrahlt, während es gleichzeitig der Oberfläche ermöglicht, Wärme in Form von Infrarotstrahlung abzugeben.
Polymere, Glas-Mikrokugeln und Silber
Das Material nutzt damit das Verfahren der sogenannten passiven Strahlungskühlung, durch die Objekte auch natürlicherweise Wärme in Form von Infrarotstrahlung abgeben, ohne Energie zu verbrauchen. Dies wird bereits gezielt genutzt, um Strukturen nachts besser abzukühlen zu lassen. Doch tagsüber galt dieses Verfahren als untauglich: Schon eine geringe Menge direkt absorbierter Sonnenenergie reicht aus, um den Effekt der passiven Abstrahlung ins Gegenteil zu kehren.
Die Herausforderung für die Forscher war es also, ein Material zu erschaffen, das doppelt effektiv ist: Es sollte ankommende Sonnenstrahlen zurück in die Atmosphäre reflektieren und gleichzeitig Infrarotstrahlung abgeben können. Um diese knifflige Herausforderung zu meistern, bauten die Forscher Licht streuende, aber auch Infrarotstrahlung abgebende Glasmikrokugeln in einen Polymerfilm ein. Diesem Hybridmaterial fügten sie dann noch eine dünne Schicht Silber hinzu, um ein maximales spektrales Reflexionsvermögen zu erreichen.
Großes Potenzial
Tests der Folie zeigten: Sie vermittelte eine durchschnittliche Strahlungs-Kühlleistung von mehr als 90 Watt pro Quadratmeter bei direkter Sonnenbestrahlung. Wie die Forscher erklären, entspricht dies einer Kühlleistung, für die normalerweise so viel elektrische Energie nötig wäre, wie sie eine Solarzelle von ähnlicher Fläche hervorbringen würde. “Nur 10 bis 20 Quadratmeter dieses Materials auf dem Dach könnten im Sommer ein Einfamilienhaus gut abkühlen”, veranschaulicht Co-Autor Gang Tan von der University of Wyoming in Laramie die Leistung.
Vor dem Hintergrund des steigenden Energiebedarfs für Klimaanlagen in Zeiten des Klimawandels wäre dies ein großer Gewinn. Doch es gibt auch weitere Anwendungsmöglichkeiten, betonen die Entwickler: Ohne die zusätzliche Silberschicht könnte das transparente Material die Effizienz und Lebensdauer von Solarzellen verbessern. Denn bei direktem Sonnenlicht können die Paneele überhitzen, was ihre Fähigkeit einschränkt, Sonnenstrahlen in Strom umzuwandeln. “Durch Anwendung dieses Materials auf der Oberfläche von Solarpanels könnten zusätzliche ein bis zwei Prozent mehr Ausbeute erreicht werden”, sagt Yin. Auch weitere Möglichkeiten wollen die Entwickler nun ausloten: Sie sehen Potenzial in der Energiewirtschaft, der Luft- und Raumfahrt, der Landwirtschaft und in vielen anderen Bereichen.
