Kostengünstiges, stromloses Passiv-Kühlsystem erreicht 40 °C unter Umgebungstemperatur

• Neues Passiv-Kühlsystem kühlt effektiv in heißen Umgebungen ohne kraftstoffbasierte Energie.
• In trockenen Umgebungen bis zu 40 °C unter Umgebungstemperatur.
• Könnte bestehende Kühlsysteme ergänzen für Impfstoff- und Lebensmittellagerung in heißen, netzfernen Gebieten.

Bestehende Kühlmechanismen basieren auf flüssigkeitsgekühlten und Dampfkompressionssystemen – komplex und teuer. Passive Kühlsysteme wie atmosphärische Strahlungskühlung nutzen Erdatmosphäre bei Mittelinfrarot-Wellenlängen, um Temperaturen signifikant zu senken.

Jahrelang versuchten Forscher weltweit, passive Kühlsysteme zu entwickeln – bisher nur mit komplexen photonischen Instrumenten, teuer in Herstellung, nicht breit einsetzbar. Meist entwickelt für perfekte Reflexion aller Wellenlängen und Mittelinfrarot-Emission. Dazu braucht man multiple Materialschichten mit Nanometer-Präzision.

MIT-Forscher entwickelten nun neues, günstiges Passiv-System für Kühlung an heißen Sonnentagen ohne kraftstoffbasierte Energie. Könnte andere Kühlsysteme ergänzen für Medikamenten-/Lebensmittellagerung in Off-Grid-Gebieten.

Theoretisch bis 20 °C unter Umgebungstemperatur. In Demo erreichten Forscher 6 °C. Für weitere Absenkung: traditionelle thermoelektrische Kühlung oder Kühlsysteme.

Wie funktioniert es?

Neues Passiv-Kühlsystem blockiert direktes Sonnenlicht einfach mit kleinem Streifen im 90°-Winkel, der Sonnenbahn am Himmel abdeckt. Eliminiert Tracking-Instrumente.

Einfaches weißes Instrument aus poliertem Aluminium, günstiger Kunststofffolie, Isolierung ermöglicht ausreichende Wärmeemission via Strahlung im Mittelinfrarotbereich. Nutzt spektrale Überlagerung der Strahlungsemission irdischer Objekte nahe Umgebungstemperatur zwischen 8 und 13 Mikrometern Wellenlänge.

Durch Schirm über System und Ergänzung mit Isolierung machten Forscher Kühlung tagsüber effektiver. Outdoor-Experimente: System blockierte direktes Sonnenlicht effektiv, emittierte kontinuierlich Mittelinfrarot-Wellenlängen gen Himmel.

Referenz: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-07293-9 | MIT

Vor wenigen Jahrzehnten entwickelten Wissenschaftler nur Systeme zur Hitzeminderung. Jetzt nutzen sie geschickt Schatten mit unterstützenden Lichtfiltermechanismen zur Temperatursenkung.

Limitierungen und Anwendungen

Bildnachweis: Bikram Bhatia / MIT

System funktioniert in feuchter Atmosphäre nicht richtig. Verringert Infrarotemission durch Luft, begrenzt Kühlung auf 20 °C (unter Umgebung). In trockener Umgebung bis zu 40 °C Kühlung.

Nicht für ganze Häuser/Gebäude nutzbar. Nur für Kühlanwendungen: Lebensmittel/Medikamentenlagerung in heißen Off-Grid-Gebieten. Zwar nicht stark genug, um Temperaturen ganz auf erforderliche Level zu senken, aber kann Last auf bestehenden Kühlsystemen verringern, nur letzte Kühlphase bereitstellen.

Auch nutzbar in konzentrierten Photovoltaik-Systemen, wo Spiegel Sonnenlicht auf Solarzellen fokussieren für höhere Effizienz. Diese überhitzen oft, benötigen regelmäßiges Thermomanagement. Passives Kühlsystem kontrolliert Heizproblem einfach, eliminiert aktives Thermomanagement.

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In kommenden Jahren werden Forscher System verbessern. Größte Herausforderung: Isoliermaterial finden, das gesamtes System vor übermäßiger Aufheizung durch Außenluft schützt.