Verdunstungs- und Strahlungskühlung: kein Strom erforderlich (aber das Aerogel muss billiger werden)

28. September 2022 von David Chandler

Es ist bekannt, dass Verdunstung und Strahlung zwei Möglichkeiten sind, etwas kühl zu halten.David Chandler at MITerklärt, wie Forscher dort ein Experiment erstellt haben3-schichtige Zelle, die Verdunstung und Strahlung mit einem Isolator kombiniert, um Kühlung zu liefern, die keinen Strom benötigt . Es kann rund sorgen9°C Abkühlung von der Umgebungstemperatur, genug, um eine sichere Lagerung von Lebensmitteln für etwa 40 % länger unter sehr feuchten Bedingungen zu ermöglichen, und könnte die sichere Lagerungszeit unter trockeneren Bedingungen verdreifachen. Anwendungen sind ideal fürnetzunabhängige abgelegene Regionender Welt, sondern auch fürEntlastung der vorhandenen Klimaanlage . Die größte Herausforderung für die Zukunft ist diehohe Kosten für die Herstellung der Aerogelschicht– ein Material, das größtenteils aus Luft besteht, die in den Hohlräumen einer schwammartigen Struktur aus Polyethylen eingeschlossen ist.

Während die Welt wärmer wird,Der Einsatz stromhungriger Klimaanlagen wird voraussichtlich erheblich zunehmen und die bestehenden Stromnetze belastenUndUmgehung vieler Standorte mit wenig oder gar keiner zuverlässigen Stromversorgung . Jetzt bietet ein am MIT entwickeltes innovatives System eine Möglichkeit, passive Kühlung zu nutzen, um Nahrungsmittelpflanzen zu erhalten und herkömmliche Klimaanlagen in Gebäuden zu ergänzenKein Bedarf an Strom und nur ein geringer Bedarf an Wasser.

Das System, daskombiniert Strahlungskühlung, Verdunstungskühlung und Wärmedämmungin einemschlankes Paket, das bestehenden Solarmodulen ähneln könnte, kann bis zu ca. liefern19 Grad Fahrenheit (9,3 Grad Celsius) Kühlung durch die Umgebungstemperatur , genug, um eine sichere Lagerung von Lebensmitteln für etwa 40 Prozent länger unter sehr feuchten Bedingungen zu ermöglichen. Unter Trocknerbedingungen könnte die sichere Lagerzeit verdreifacht werden.

Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift veröffentlichtZellberichte Physikalische Wissenschaft, in einem Artikel eines MIT-PostdocsZhengmao Lu, Arny Leroy, die Professoren Jeffrey Grossman und Evelyn Wang , und zwei andere. Während weitere Forschung erforderlich ist, um die Kosten einer Schlüsselkomponente des Systems zu senken, sagen die Forscher, dass ein solches System letztendlich eine wichtige Rolle dabei spielen könnteErfüllung des Kühlbedarfs in vielen Teilen der Welt, in denen Strom- oder Wassermangel den Einsatz herkömmlicher Kühlsysteme einschränkt.

Das System kombiniert geschickt frühere eigenständige Kühldesigns, die jeweils eine begrenzte Menge an Kühlleistung bereitstellen, um insgesamt deutlich mehr Kühlung zu erzeugen – genug, umTragen Sie dazu bei, Lebensmittelverluste durch Verderb in Teilen der Welt zu reduzieren, die bereits unter einer begrenzten Lebensmittelversorgung leiden . In Anerkennung dieses Potenzials wurde das Forschungsteam teilweise vom MIT unterstütztAbdul Latif Jameel Labor für Wasser- und Lebensmittelsysteme.

„Diese Technologie vereint einige der guten Eigenschaften früherer Technologien wie Verdunstungskühlung und Strahlungskühlung“, sagt Lu. Durch den Einsatz dieser Kombination, sagt er, „zeigen wir, dass man die Lebensdauer von Lebensmitteln erheblich verlängern kann.“selbst in Bereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit“, was die Möglichkeiten herkömmlicher Verdunstungs- oder Strahlungskühlsysteme einschränkt.

An Orten, an denen in Gebäuden bereits Klimaanlagen vorhanden sind, könnte das neue System die Belastung dieser Anlagen deutlich reduzierenKühlwasser wird zum heißesten Teil des Systems geleitet, dem Kondensator . „Durch die Senkung der Kondensatortemperatur können Sie die Effizienz der Klimaanlage effektiv steigern und so möglicherweise Energie sparen“, sagt Lu.

Andere Gruppen verfolgten ebenfalls passive Kühltechnologien, sagt er, aber „durch die synergetische Kombination dieser Funktionen sind wir jetzt in der Lage, eine hohe Kühlleistung zu erzielen, selbst in Bereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit, in denen bisherige Technologien im Allgemeinen keine gute Leistung erbringen.“

Auf dem Dach des MIT-Gebäudes 1 wurden zwei Muster passiver Kühlgeräte getestet: Links ein Muster des neuen Systems, das Verdunstungskühlung, Strahlungskühlung und Isolierung kombiniert. Rechts ein Gerät, das nur Verdunstungskühlung nutzt, zum Vergleichstest / Foto: Mit freundlicher Genehmigung von Zhengmao Lu

Das System besteht ausdrei Materialschichten , die zusammen für Kühlung sorgen, wenn Wasser und Wärme durch das Gerät strömen. In der Praxis könnte das Gerät einem herkömmlichen Solarpanel ähneln, aber anstatt Strom abzugeben, würde es direkt für Kühlung sorgen, beispielsweise durchfungiert als Dach eines Lebensmittellagerbehälters . Oder es könnte daran gewöhnt werdenLeiten Sie gekühltes Wasser durch Rohre, um Teile einer vorhandenen Klimaanlage zu kühlen und seine Effizienz verbessern. Die einzige erforderliche Wartung istWasser für die Verdunstung hinzufügen, aber der Verbrauch ist so gering, dass dies in den heißesten und trockensten Gebieten nur etwa alle vier Tage und in feuchteren Gebieten nur einmal im Monat erforderlich ist.

Die oberste Schicht ist ein Aerogel , ein Material, das größtenteils aus Luft besteht, die in den Hohlräumen einer schwammartigen Struktur aus Polyethylen eingeschlossen ist. Das Material isthochisolierend, lässt aber sowohl Wasserdampf als auch Infrarotstrahlung ungehindert durch . Die Verdunstung von Wasser (das aus der darunter liegenden Schicht aufsteigt) sorgt für einen Teil der Kühlleistung, während die Infrarotstrahlung, die sich die extreme Transparenz der Erdatmosphäre bei diesen Wellenlängen zunutze macht,strahlt einen Teil der Wärme direkt über die Luft in den Weltraum ab – im Gegensatz zu Klimaanlagen, die heiße Luft in die unmittelbare Umgebung abgeben.

Darunter befindet sich das Aerogeleine Schicht aus Hydrogel – ein weiteres schwammartiges Material, dessen Porenräume jedoch eher mit Wasser als mit Luft gefüllt sind . Es ähnelt dem Material, das derzeit kommerziell für Produkte wie Kühlkissen oder Wundauflagen verwendet wird. Dies stellt die Wasserquelle für die Verdunstungskühlung dar, da sich an seiner Oberfläche Wasserdampf bildet und der Dampf direkt durch die Aerogelschicht nach oben und in die Umgebung gelangt.

Darunter,Eine spiegelartige Schicht reflektiert das einfallende Sonnenlicht , indem es durch das Gerät zurück nach oben geleitet wird, anstatt es die Materialien erhitzen zu lassen und so deren thermische Belastung zu reduzieren. Und da die oberste Schicht aus Aerogel ein guter Isolator ist, reflektiert sie auch stark die Sonneneinstrahlung, wodurch die Sonnenerwärmung des Geräts selbst bei starker direkter Sonneneinstrahlung begrenzt wird.

„Die Neuheit hier ist wirklich gerechtvereint die Strahlungskühlungsfunktion, die Verdunstungskühlungsfunktion und auch die Wärmedämmungsfunktion in einer Architektur„, erklärt Lu. Das System wurde mit einer kleinen Version von nur 4 Zoll Durchmesser auf dem Dach eines Gebäudes am MIT getestet und bewies seine Wirksamkeit auch bei suboptimalen Wetterbedingungen, sagt Lu, und erreichte eine Kühlung von 9,3 °C (18,7 °F). ).

"Die bisherige Herausforderung bestand darin, dass Verdunstungsmaterialien oft nicht gut mit der Sonnenabsorption zurechtkommen„Diese anderen Materialien erhitzen sich normalerweise, wenn sie der Sonne ausgesetzt sind, sodass sie bei Umgebungstemperatur keine hohe Kühlleistung erreichen können.“

Die Eigenschaften des Aerogel-Materials sind ein Schlüssel zur Gesamteffizienz des Systems, aber die Herstellung dieses Materials ist derzeit teuererfordert eine spezielle Ausrüstung für die kritische Punkttrocknung (CPD), um Lösungsmittel langsam aus der empfindlichen porösen Struktur zu entfernen, ohne diese zu beschädigen . Die Schlüsseleigenschaft, die kontrolliert werden muss, um die gewünschten Eigenschaften bereitzustellen, ist dieGröße der Poren im Aerogel , das hergestellt wird, indem man das Polyethylenmaterial mit Lösungsmitteln mischt, es wie eine Schüssel Wackelpudding aushärten lässt und dann die Lösungsmittel herausbekommt. Das Forschungsteam erforscht derzeit Möglichkeiten, diesen Trocknungsprozess entweder kostengünstiger zu gestalten, beispielsweise durch den Einsatz von Gefriertrocknung, oder alternative Materialien zu finden, die die gleiche Isolierfunktion zu geringeren Kosten bieten können, beispielsweise Membranen, die durch einen Luftspalt getrennt sind.

Während die anderen im System verwendeten Materialien leicht verfügbar und relativ kostengünstig sind, sagt Lu: „Das Aerogel ist das einzige Material, das ein Produkt aus dem Labor ist, das im Hinblick auf die Massenproduktion weiterentwickelt werden muss„Und es ist unmöglich vorherzusagen, wie lange diese Entwicklung dauern wird, bis dieses System für den breiten Einsatz praxistauglich gemacht werden kann“, sagt er.

Diese Arbeit „stellt einen sehr interessanten und neuartigen Systemintegrationsansatz passiver Kühltechnologien dar“, sagt Xiulin Ruan, Professor für Maschinenbau an der Purdue University, der nicht an dieser Forschung beteiligt war. Ruan fügt hinzu: „Durch die Kombination von Verdunstungskühlung, Strahlungskühlung und Isolierung hat es eine bessere Kühlleistung und kann in einem größeren Klimabereich wirksam sein als Verdunstungskühlung oder Strahlungskühlung allein. Die Arbeit könnte bedeutende praktische Anwendungen hervorbringen, wie z Lebensmittelkonservierung, wenn das System zu vertretbaren Kosten hergestellt werden kann.“

Zum Forschungsteam gehörten Lenan Zhang vom Department of Mechanical Engineering des MIT und Jatin Patil vom Department of Materials Science and Engineering.

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David Chandlerist Institutsautor beiMIT

Nachdruck mit Genehmigung vonMIT News

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