Ein kostengünstiges passives Kühlsystem, das keinen Strom benötigt

• Neues passives Kühlsystem sorgt für effektive Kühlung in heißen Umgebungen, ohne Kraftstoff zu verbrauchen.
• In trockenen Umgebungen kann es bis zu 40 °C unter die Umgebungstemperatur kühlen.
• Es könnte bestehende Kühlsysteme ergänzen, um Impfstoffe und Lebensmittel in heißen, netzfernen Gebieten zu lagern.

Die bestehenden Kühlmechanismen beruhen auf flüssigkeitsgekühlten und Dampfkompressionssystemen, die ziemlich komplex und teuer sind. Passives Kühlsystem hingegen nutzt wie die atmosphärische Strahlungskühlung die Erdatmosphäre bei mittleren Infrarotwellenlängen, um die Temperaturen auf ein signifikantes Niveau zu senken.

Seit Jahren versuchen Forscher auf der ganzen Welt, passive Kühlsysteme zu entwickeln, und konnten diese Systeme bisher mit komplexen photonischen Instrumenten bauen, die teuer in der Herstellung sind und nicht weit verbreitet sind. Die meisten von ihnen wurden entwickelt, um alle Wellenlängen perfekt zu reflektieren und Strahlung im mittleren Infrarot zu emittieren.
Um dies zu erreichen, müssen Sie jedoch mehrere Materialschichten hinzufügen und ihre Dicke auf Nanometer genau steuern.

Jetzt haben Forscher des MIT ein neues, kostengünstiges passives System entwickelt, das an einem heißen, sonnigen Tag Kühlung bietet, ohne dass durch Kraftstoff erzeugte Energie benötigt wird. Es könnte andere Kühlsysteme ergänzen, um Medikamente und Lebensmittel in netzfernen Bereichen zu lagern/zu konservieren.

Theoretisch ist das System in der Lage, bis zu 20 °C unter der Umgebungstemperatur zu kühlen. Bei der Demonstration konnten die Forscher jedoch eine Abkühlung von 6 ° C erreichen. Um die Temperatur weiter zu senken, könnte man herkömmliche thermoelektrische Kühl- oder Kühlsysteme verwenden.

Wie funktioniert es?

Das neue passive Kühlsystem blockiert einfach die direkte Sonneneinstrahlung, indem es einen kleinen Streifen verwendet, der im 90-Grad-Winkel platziert ist, um den Weg der Sonne über den Himmel abzudecken. Dadurch werden Tracking-Instrumente überflüssig.

Ein schlichtes weißes Instrument, das aus poliertem Aluminium, kostengünstiger Kunststofffolie und Isolierung entwickelt wurde, ermöglicht eine ausreichende Wärmeabgabe durch Strahlung im mittleren Infrarotbereich. Genauer gesagt nutzt es die spektrale Überlappung der Strahlungsemission von terrestrischen Objekten nahe der Umgebungstemperatur zwischen der Wellenlänge von 8 und 13 Mikrometern.

Durch das Anbringen eines Regenschirms über dem System und die Ergänzung mit einer Isolierung sorgten die Forscher für eine effektivere Kühlung während des Tages. Sie führten Experimente im Freien durch und fanden heraus, dass das System das direkte Sonnenlicht effektiv blockierte, während es kontinuierlich die mittleren Infrarotwellenlängen zum Himmel abstrahlte.

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

Vor einigen Jahrzehnten hatten Wissenschaftler nur Systeme zur Reduzierung der Erwärmung entwickelt. Aber jetzt verwenden sie auf intelligente Weise Schatten zusammen mit unterstützenden Lichtfiltermechanismen, um die Temperatur zu senken.

Einschränkungen und Anwendungen

Bildnachweis:Bikram Bhatia / MIT 

Das System funktioniert in einer feuchten Atmosphäre nicht richtig. Es reduziert die Menge der Infrarotstrahlung durch die Luft und begrenzt die Kühlmenge auf 20 °C (unter der Umgebungstemperatur). Wenn die Umgebung jedoch trocken ist, kann die Kühlung bis zu 40 °C betragen.

Außerdem kann dieses System nicht verwendet werden, um ganze Häuser oder Gebäude zu kühlen. Es konnte nur für Kühlanwendungen verwendet werden, wie die Lagerung von Lebensmitteln und Medikamenten in heißen, netzfernen Bereichen. Obwohl dieser Ansatz nicht leistungsstark genug ist, um die Temperaturen auf das erforderliche Niveau zu senken, kann er zumindest die Belastung bestehender Kühlsysteme verringern, um nur die letzte Phase der Kühlung bereitzustellen.

Es könnte auch in konzentrierten Photovoltaikanlagen eingesetzt werden, in denen spezielle Spiegel Sonnenstrahlen auf Solarzellen fokussieren, um deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Diese Systeme überhitzen oft und erfordern eine regelmäßige thermische Wartung. Das passive Kühlsystem kann dieses Erwärmungsproblem leicht kontrollieren und macht ein aktives Wärmemanagement überflüssig.

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In den kommenden Jahren werden Forscher versuchen, das System zu verbessern. Die größte Herausforderung dabei wäre, einen Dämmstoff zu finden, der eine übermäßige Erwärmung des gesamten Systems durch die Außenluft verhindert.