Fenster lassen Licht in Ihre Innenräume, können aber auch unerwünschte Wärme abgeben. Klimaanlagen müssen dann hart arbeiten, um die Fenster abzukühlen. Um dieses Problem zu lösen und die Energieeinsparungen mit der Quantenfenstertechnologie zu steigern, setzen Forscher auf eine transparente Strahlungskühlerbeschichtung (TRC).
Tengfei Luo , Dorini Family Professor für Energiestudien an der University of Notre Dame, und Postdoktorand Seongmin Kim haben eine transparente Beschichtung für Fenster entwickelt.
Diese Beschichtung bzw. transparente Strahlungskühlung (TRC) blockiert wärmeerzeugendes ultraviolettes und infrarotes Licht. Unabhängig vom Sonnenstand lässt sie nur sichtbares Licht durch. Sie kann auf vorhandenen Fenstern und in Fahrzeugen eingesetzt werden und trägt in heißen Klimazonen dazu bei, die Klimaanlagenkosten um mehr als ein Drittel zu senken.
Effizientes Design zur Bewältigung wechselnder Sonnenwinkel
Tengfie Luo, die Hauptautorin der Studie, sagte: „Der Winkel zwischen Sonnenlicht und Fenster ändert sich ständig. Unsere Beschichtung erhält Funktionalität und Effizienz unabhängig vom Sonnenstand aufrecht.“
In vielen aktuellen Studien wurde durch die Fensterbeschichtung lediglich das Licht optimiert, das im rechten Winkel in den Raum einfällt. Das ist jedoch nicht realisierbar. Mittags, meist zur heißesten Tageszeit, dringen die Sonnenstrahlen tendenziell schräg in senkrecht eingebaute Fenster ein.
Innovative Materialien und Techniken
Zuvor hatte Prof. Luo zusammen mit seinem Postdoktoranden Seongmin Kim eine transparente Fensterbeschichtung entwickelt, indem sie eine Glasbasis mit ultradünnen Schichten aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Titanoxid beschichteten. Zusätzlich wurde eine mikrometerdicke Siliziumpolymerschicht aufgebracht. Diese Schicht verbessert die Kühlleistung der Struktur und reflektiert die Wärmestrahlung durch das atmosphärische Fenster in den Weltraum.
Professor Luo erklärte: „Eine weitere Optimierung der Schichtreihenfolge war notwendig, um sicherzustellen, dass die Beschichtung verschiedene Einfallswinkel des Sonnenlichts aufnimmt. Angesichts der immensen Anzahl möglicher Kombinationen war ein Versuch-und-Irrtum-Ansatz jedoch nicht praktikabel.“
Den Forschern wurde klar, dass sie den Prozess optimieren mussten, um die optimale Kombination aus Materialien und Schichten zu finden. Daher erstellten Prof. Luo und Kim ein Computermodell. Anschließend nutzten sie Quanten-Maschinenlernalgorithmen (QML), um die besten Kombinationen aus Schichten und Materialien zu ermitteln.
Aber was meinen Sie, spart das Schließen der Jalousien Energie?
Ergebnisse und Anwendungen
- Das Material endete Dabei handelt es sich um eine 1.2 Mikrometer dicke transparente Fensterbeschichtung.
- Es scheint besser zu funktionieren als andere ähnliche Produkte auf dem Markt.
- Ihr Modell schuf eine Beschichtung, die sowohl Transparenz als auch Temperatur senken (um 5.4 bis 7.2 Grad Celsius oder 9.7 bis 13 Grad Fahrenheit).
- Dies gelang ihm in einem Modellraum auch bei einer Lichteinstrahlung in einem weiten Winkelbereich.
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Dieses Projekt zeigt, wie Quantencomputing den Forschungsprozess maßgeblich unterstützen kann. Es ermöglicht die Entwicklung verschiedenster Materialien mit komplexen Eigenschaften. Energieeinsparungen durch Quantenfenstertechnologie können somit in vielen Bereichen von großem Nutzen sein.
