Slim materiaal schakelt binnen enkele minuten tussen verwarmen en koelen

Nu hebben ingenieurs van Duke University slimme raamtechnologie ontwikkeld die, met een druk op de knop, kan wisselen tussen het oogsten van warmte uit zonlicht en het laten afkoelen van een object. De aanpak kan een zegen zijn voor HVAC-besparingen, waardoor het energieverbruik alleen al in de Verenigde Staten met bijna 20% kan worden verminderd.

De elektrochrome technologie wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Energy Letters.

"We hebben het allereerste elektrochrome apparaat gedemonstreerd dat kan schakelen tussen zonneverwarming en stralingskoeling", zegt Po-Chun Hsu, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke. "Onze elektrochrome afstemmethode heeft geen bewegende delen en is continu afstembaar."

Slimme ramen gemaakt van elektrochroom glas zijn een relatief nieuwe technologie die een elektrochrome reactie gebruiken om glas in een oogwenk te veranderen van transparant naar ondoorzichtig en weer terug. Hoewel er veel benaderingen zijn om dit fenomeen te creëren, houden ze allemaal in dat een elektrisch reagerend materiaal tussen twee dunne lagen elektroden wordt geklemd en een elektrische stroom ertussen wordt geleid. Hoewel deze truc al moeilijk genoeg is voor zichtbaar licht, wordt het nog meer het geval wanneer ook mid-infrarood licht (stralingswarmte) in aanmerking moet worden genomen.

In de paper demonstreren Hsu en zijn afgestudeerde student Chenxi Sui een dun apparaat dat interageert met beide spectrums van licht terwijl het schakelt tussen passieve verwarmings- en koelingsmodi. In de verwarmingsmodus wordt het apparaat donkerder om zonlicht te absorberen en te voorkomen dat mid-infrarood licht ontsnapt. In de koelmodus wordt de verduisterde raamachtige laag helder en wordt tegelijkertijd een spiegel onthuld die zonlicht weerkaatst en midden-infraroodlicht van achter het apparaat laat verdwijnen.

Omdat het glas nooit transparant is voor zichtbaar licht, zou het apparaat geen ramen in huizen of kantoren vervangen, maar het zou op andere bouwoppervlakken kunnen worden gebruikt.

"Het is erg moeilijk om materialen te maken die in beide regimes kunnen functioneren", zei Hsu. "Ons apparaat heeft een van de grootste afstembereiken in thermische straling die ooit zijn aangetoond."

Er waren twee grote uitdagingen die moesten worden overwonnen. De eerste was het creëren van elektrodelagen die elektriciteit geleiden en transparant zijn voor zowel zichtbaar licht als thermische straling. De meeste geleidende materialen zoals metalen, grafiet en sommige oxiden passen niet bij de rekening, omdat deze twee eigenschappen op gespannen voet met elkaar staan, dus hebben Hsu en Sui hun eigen materiaal ontwikkeld.

Gouden snelweg

De onderzoekers begonnen met een één atoom dikke laag grafeen, waarvan ze aantoonden dat het te dun is om beide soorten licht te reflecteren of te absorberen. Maar het is ook niet geleidend genoeg om de hoeveelheid elektriciteit te verzenden die nodig is om het apparaat op grote schaal te laten werken. Om deze beperking te omzeilen, hebben Hsu en Sui een dun raster van goud bovenop het grafeen toegevoegd om als een snelweg voor elektriciteit te fungeren. Hoewel dit het vermogen van grafeen om licht ongehinderd door te laten enigszins verminderde, was de afweging klein genoeg om het waard te zijn.

De tweede uitdaging was het ontwerpen van een materiaal voor tussen de twee elektrodelagen dat heen en weer kan schakelen tussen het absorberen van licht en warmte of het doorlaten ervan. De onderzoekers bereikten dit door gebruik te maken van een fenomeen dat plasmonics wordt genoemd. Wanneer kleine metaaldeeltjes op nanoschaal op een nanometer afstand van elkaar worden geplaatst, kunnen ze in wezen specifieke golflengten van licht opvangen op basis van hun grootte en afstand. Maar in dit geval zijn de nanodeeltjes willekeurig verdeeld in clusters, wat leidt tot interacties met een breed scala aan golflengten, wat gunstig is voor het efficiënt opvangen van zonlicht.

In de test zorgt elektriciteit die door de twee elektroden gaat ervoor dat er zich metalen nanodeeltjes vormen nabij de bovenste elektrode. Dit verduistert niet alleen het apparaat, het zorgt ervoor dat het hele apparaat zowel zichtbaar licht als warmte absorbeert en vasthoudt. En wanneer de elektrische stroom wordt omgekeerd, lossen de nanodeeltjes weer op in de vloeibare transparante elektrolyt. De overgang tussen de twee toestanden duurt een minuut of twee.

"Het apparaat zou in de echte wereld vele uren in de ene of de andere staat doorbrengen, dus een paar minuten efficiëntie verliezen tijdens de overgang is slechts een druppel op een gloeiende plaat", zegt Hsu.

Er zijn nog veel uitdagingen om de technologie bruikbaar te maken in alledaagse situaties. De grootste zou het aantal keren kunnen zijn dat de nanodeeltjes kunnen wisselen, omdat het prototype slechts een paar dozijn overgangen kon uitvoeren voordat het aan efficiëntie verloor. Er is ook ruimte voor verbetering in de zonnereflectiviteit van de koelmodus, waarvan Hsu hoopt in de nabije toekomst sub-ambiente koeling te bereiken.