Neue Materialien für energieeffiziente und klimafreundliche Kühltechnologien – europäischer Forschungspreis für Bayreuther Nachwuchswissenschaftler
Ein neues Forschungsvorhaben der Universität Bayreuth namens VISIRday von Prof. Markus Retsch zielt auf energieeffiziente und klimafreundliche Kühlsysteme ab, die in Wohngebäuden oder Textilien eingesetzt werden könnten und bisherige Kühltechniken revolutionieren würden. Weil sie ohne externe Energiezufuhr funktionieren, werden sie auch als ‚passive Kühltechnologien‘ bezeichnet.
Der Europäische Forschungsrat (European Research Council, ERC) hat das Projekt für die nächsten fünf Jahre zur Förderung durch einen ERC Starting Grant empfohlen. Mit der Fördersumme von insgesamt rund 1,5 Mio. Euro wird der Bayreuther Polymerwissenschaftler einen neuen Schwerpunkt innerhalb seiner Forschergruppe setzen, welche die physikalischen, chemischen und materialwissenschaftlichen Grundlagen der Kühltechnologie untersuchen wird.
Ein ‚Strahlungsfenster‘ in der Erdatmosphäre
Passive Kühltechnologien würden helfen, den Energieverbrauch in den Industrieländern zu senken und Kühlkapazitäten in entlegenen Gebieten bereitzustellen. Die Erdatmosphäre kann solche Technologien in einer entscheidenden Hinsicht unterstützen: Sie lässt Wärmestrahlen, die eine Wellenlänge zwischen 8 und 13 Mikrometern haben und daher dem mittleren Infrarotbereich zugeordnet sind, nahezu ohne Einschränkung ins kalte Weltall entweichen; Wärmestrahlen in anderen Wellenlängenbereichen werden hingegen zurück zur Erde gelenkt und können somit nicht zu einer Kühlung beitragen.
Mit seinem neuen Forschungsvorhaben will Retsch dieses kleine ‚Strahlungsfenster‘ ausnutzen. Im Rahmen von VISIRday werden neue Materialien entwickelt, die sich dadurch auszeichnen, dass die von ihnen abgegebenen Wärmestrahlen ausschließlich diesem schmalen Wellenlängenbereich angehören, der ungehindert die Atmosphäre passieren kann. Vor allem bei klarem Himmel wird diese Wärmeenergie nahezu vollständig ins kalte Weltall abgestrahlt.
Um einen tatsächlichen Kühleffekt zu erzeugen, müssen derartige Materialien jedoch das einfallende Sonnenlicht als intensive Energiequelle während des Tages effizient blocken. Daher müssen sie gleichzeitig das sichtbare und nahe Infrarotlicht vollständig streuen oder reflektieren. Nur so kann ein Aufheizen der Materialien verhindert werden.
Herkömmliche Klimaanlagen funktionieren nur, wenn ihnen von außen Energie zugeführt wird. Sie erzeugen zusätzliche Abwärme, welche in die Umgebung abgegeben wird. Diese Abwärme trägt unter anderem dazu bei, dass sich dicht besiedelte Gebiete wie beispielsweise Großstädte immer weiter aufheizen. Die angestrebten passiven Kühltechnologien hingegen könnten ohne eine externe Energiezufuhr auskommen und zugleich die Entstehung zusätzlicher Abwärme vermeiden. Sie wären somit ein entscheidender Beitrag zu klimafreundlicheren und nachhaltigeren Kühlmethoden.
Feintuning elektromagnetischer Wellen
Bei den angestrebten Materialien, die diese Anforderungen erfüllen, handelt es sich um Nano- und Mesopartikel – also um Teilchen in einer Größenordnung von wenigen 10 bis einigen 1000 Nanometern. Durch das Zusammenspiel ihrer Materialkomponenten und Strukturen ist es möglich, die nanooptischen Eigenschaften der Teilchen so zu beeinflussen, dass Wärmestrahlen ausschließlich im gewünschten Wellenlängenbereich abgegeben werden. Die Herstellung geeigneter Strukturen lässt sich durch geschickte Kombination lithografischer Verfahren und Prozesse der Selbstanordnung detailgenau kontrollieren.
Prof. Markus Retsch: „In unserem Forschungsprojekt VISIRday werden wir darauf hinarbeiten, dass sich die von den Nano- und Mesopartikeln abgegebene Wärmeenergie möglichst präzise einstellen lässt“, erklärt Retsch. „Ein Feintuning der elektromagnetischen Wellen, die mit den Nano- und Mesostrukturen wechselwirken, würde eine präzise Steuerung des aufgenommenen Sonnenlichts und der abgegebenen Wärmestrahlung bewirken. Wenn uns die Entwicklung von Materialsystemen gelingt, die ein solches Feintuning zulassen, verfügen wir über wichtige Bausteine für neue ‚passive‘ Kühltechnologien, die den Energieverbrauch für eine Vielzahl von Kühlanwendungen absenken können.“
Natur als Vorbild
Die angestrebten Kühltechniken orientieren sich an Vorbildern aus der Natur. So besitzt die saharische Silberameise (Cataglyphis nodus) ein Fell aus hierarchisch strukturierten Haaren, die das Sonnenlicht im sichtbaren Wellenlängenbereich effektiv nach außen abstrahlen. So ist dafür gesorgt, dass sich die Körpertemperatur der Ameise nicht signifikant erhöht, selbst wenn sie in der Wüste sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist. VISIRday greift dieses Funktionsprinzip auf und ist somit auch ein Beispiel für die wachsende Bedeutung der Bionik: ein Forschungsfeld, das darauf abzielt, aus den besonderen Fähigkeiten von Tieren und Pflanzen Erkenntnisse für neue leistungsstarke Technologien abzuleiten.
Prof. Markus Retsch, Lichtenberg-Juniorprofessor für Polymere Systeme an der Universität Bayreuth, erhielt einen ERC Starting Grant und damit einen der bedeutendsten europäischen Forschungspreise für junge Spitzenforscher. Mit dieser Auszeichnung würdigt der Europäische Forschungsrat (European Research Council, ERC) herausragende Wissenschaftler, die mit visionären Konzepten neue Gebiete der Grundlagenforschung erschließen und zukunftsweisenden Technologien den Weg bahnen.
->Quelle: uni-bayreuth.de/erc-starting-grant