Passives Kühlsystem könnte davon profitieren

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Mit zunehmender Erwärmung der Welt wird der Einsatz stromhungriger Klimaanlagen voraussichtlich erheblich zunehmen, was die bestehenden Stromnetze belastet und viele Standorte mit wenig oder gar keinem zuverlässigen Strom ausschaltet. Jetzt bietet ein am MIT entwickeltes innovatives System eine Möglichkeit, passive Kühlung zu nutzen, um Nahrungsmittelpflanzen zu erhalten und herkömmliche Klimaanlagen in Gebäuden zu ergänzen, ohne dass Strom und nur ein geringer Wasserbedarf erforderlich sind.

Das System, das Strahlungskühlung, Verdunstungskühlung und Wärmedämmung in einem schlanken Paket kombiniert, das bestehenden Sonnenkollektoren ähneln könnte, kann bis zu etwa 19 Grad Fahrenheit (9,3 Grad Celsius) Kühlung gegenüber der Umgebungstemperatur liefern, genug, um sichere Lebensmittel zu ermöglichen unter sehr feuchten Bedingungen etwa 40 Prozent länger lagerfähig. Unter Trocknerbedingungen könnte die sichere Lagerzeit verdreifacht werden.

Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Cell Reports Physical Science in einem Artikel von MIT-Postdoc Zhengmao Lu, Arny Leroy PhD '21, den Professoren Jeffrey Grossman und Evelyn Wang sowie zwei weiteren Personen veröffentlicht. 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 bei der Deckung des Kühlbedarfs vieler Teile der Welt spielen könnte, in denen es an Strom mangelt Wasser schränkt den Einsatz herkömmlicher Kühlsysteme ein.

Das System kombiniert geschickt frühere eigenständige Kühlkonzepte, die jeweils eine begrenzte Kühlleistung bereitstellen, um insgesamt deutlich mehr Kühlung zu erzeugen – genug, um 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 Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab des MIT unterstützt.

„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 Gebieten 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 verwendet werden, um die Belastung dieser Systeme erheblich zu reduzieren, indem kühles Wasser zum heißesten Teil des Systems, dem Kondensator, geleitet wird. „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.“

Das System besteht aus drei Materialschichten, die zusammen für Kühlung sorgen, während 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, indem es beispielsweise als Dach eines Vorratsbehälters für Lebensmittel fungiert. Oder es könnte verwendet werden, um gekühltes Wasser durch Rohre zu leiten, um Teile einer vorhandenen Klimaanlage zu kühlen und deren Effizienz zu verbessern. Die einzige erforderliche Wartung ist die Zugabe von Wasser zur Verdunstung. Der Verbrauch ist jedoch so gering, dass dies in den heißesten und trockensten Gebieten nur etwa alle vier Tage und in feuchteren Gebieten nur einmal im Monat durchgeführt werden muss.

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 ist stark isolierend, 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, einen Teil der Wärme direkt nach oben durch die Luft und in den Weltraum abstrahlt – im Gegensatz zu Klimaanlagen, die heiße Luft in die unmittelbare Umgebung abgeben.

Unterhalb des Aerogels befindet sich eine Schicht Hydrogel – ein weiteres schwammartiges Material, dessen Porenräume jedoch mit Wasser und nicht 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 reflektiert eine spiegelartige Schicht das einfallende Sonnenlicht und leitet es zurück durch das Gerät, anstatt die Materialien aufzuheizen 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 besteht eigentlich nur darin, die Strahlungskühlungsfunktion, die Verdunstungskühlungsfunktion und auch die Wärmedämmungsfunktion in einer Architektur zu vereinen“, 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 Herausforderung bestand bisher darin, dass Verdunstungsmaterialien oft nicht gut mit der Sonnenabsorption zurechtkommen“, sagt Lu. „Diese anderen Materialien erhitzen sich normalerweise, wenn sie der Sonne ausgesetzt sind, sodass sie bei Umgebungstemperatur keine hohe Kühlleistung erreichen können.“

Die Eigenschaften des Aerogelmaterials sind für die Gesamteffizienz des Systems von entscheidender Bedeutung. Allerdings ist die Herstellung dieses Materials derzeit teuer, da eine spezielle Ausrüstung für die kritische Punkttrocknung (CPD) erforderlich ist, um Lösungsmittel langsam aus der empfindlichen porösen Struktur zu entfernen, ohne diese zu beschädigen. Das Schlüsselmerkmal, das kontrolliert werden muss, um die gewünschten Eigenschaften bereitzustellen, ist die Größe der Poren im Aerogel, das durch Mischen des Polyethylenmaterials mit Lösungsmitteln hergestellt wird, es wie eine Schüssel Wackelpudding aushärten lässt und dann das Aerogel erhält Lösungsmittel heraus. 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, „ist das Aerogel das einzige Material, das ein Produkt aus dem Labor ist, das im Hinblick auf die Massenproduktion weiterentwickelt werden muss.“ Und es sei unmöglich vorherzusagen, wie lange diese Entwicklung dauern werde, bis dieses System für den breiten Einsatz praxistauglich gemacht werden könne, 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.

Um den Einsatz von Klimaanlagen zu bekämpfen, haben MIT-Forscher ein passives Kühlsystem entwickelt, das auf Verdunstung und Strahlung basiert und keinen Strom benötigt, berichtet Camille Bond für EnergyWire. „Der Vorteil der passiven Kühlung besteht darin, dass man den ständig steigenden Kühlbedarf mit einem sehr geringen CO2-Fußabdruck decken kann“, erklärt Postdoc Zhengmao Lu.

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