Das innovative MIT-Passivkühlsystem funktioniert ohne Strom

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Auf dem Dach des MIT-Gebäudes 1 wurden zwei Muster von passiven Kühlgeräten getestet: Links ein Muster des neuen Systems, das Verdunstungskühlung, Strahlungskühlung und Isolierung kombiniert. Rechts ein Gerät, das nur mit Verdunstungskühlung arbeitet, für Vergleichstests. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Zhengmao Lu

Unter Berufung auf Verdunstung und Strahlung – aber nicht Strom – die

MIT
MIT ist ein Akronym für das Massachusetts Institute of Technology. Es ist eine renommierte private Forschungsuniversität in Cambridge, Massachusetts, die 1861 gegründet wurde. Sie ist in fünf Schulen organisiert: Architektur und Planung; Ingenieurwesen; Geistes-, Kunst- und Sozialwissenschaften; Management; und Wissenschaft. Der Einfluss des MIT umfasst viele wissenschaftliche Durchbrüche und technologische Fortschritte. Ihr erklärtes Ziel ist es, durch Bildung, Forschung und Innovation eine bessere Welt zu schaffen.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>MIT[{“attribute=””>MIT passive Kühlsysteme könnten Lebensmittel länger frisch halten oder die Klimatisierung von Gebäuden ergänzen.

Der Einsatz von stromhungrigen Klimaanlagen wird voraussichtlich erheblich zunehmen, wenn die Welt wärmer wird, was die bestehenden Stromnetze belastet und viele Standorte mit wenig oder keiner zuverlässigen Stromversorgung umgeht. Jetzt bietet ein innovatives System, das am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt wurde, eine Möglichkeit, die passive Kühlung zur Konservierung von Nahrungsmitteln zu nutzen und herkömmliche Klimaanlagen in Gebäuden zu ergänzen. Es benötigt keinen Strom und nur einen geringen Wasserbedarf.

Das System kombiniert Strahlungskühlung, Verdunstungskühlung und Wärmedämmung in einem schlanken Paket, das bestehenden Solarmodulen ähneln könnte. Es kann bis zu etwa 19 Grad liefern

Fahrenheit
Die Fahrenheit-Skala ist eine Temperaturskala, die nach dem deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit benannt ist und auf einer von ihm 1724 vorgeschlagenen basiert. In der Fahrenheit-Temperaturskala liegt der Gefrierpunkt von Wasser bei 32 °F und Wasser kocht bei 212 °F, a 180 °F Trennung, wie auf Meereshöhe und normalem atmosphärischem Druck definiert.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Fahrenheit[{“attribute=””>Fahrenheit (9,3 Grad

Celsius
Die Celsius-Skala, auch Celsius-Skala genannt, ist eine nach dem schwedischen Astronomen Anders Celsius benannte Temperaturskala. In der Celsius-Skala ist 0 °C der Gefrierpunkt von Wasser und 100 °C der Siedepunkt von Wasser bei 1 atm Druck.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Celsius[{“attribute=””>Celsius ) der Abkühlung von der Umgebungstemperatur. Das reicht aus, um Lebensmittel unter sehr feuchten Bedingungen rund 40 Prozent länger sicher lagern zu können. Unter trockenen Bedingungen könnte es die sichere Lagerzeit verdreifachen.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift 20 gemeldet Zellberichte Physikalische Wissenschaft im September in einem Artikel von MIT-Postdoc Zhengmao Lu, Arny Leroy PhD ’21, den Professoren Jeffrey Grossman und Evelyn Wang und zwei weiteren. Obwohl mehr Forschung erforderlich ist, um die Kosten für eine Schlüsselkomponente des Systems zu senken, sagen die Entwickler, dass ein solches System letztendlich eine bedeutende Rolle bei der Deckung des Kühlbedarfs in vielen Teilen der Welt spielen könnte, in denen es an Strom mangelt oder Wasser schränkt die Verwendung herkömmlicher Kühlsysteme ein.

Durch die geschickte Kombination früherer eigenständiger Kühlkonzepte, die jeweils eine begrenzte Kühlleistung bieten, kann das System insgesamt deutlich mehr Kühlleistung erzeugen. Es reicht aus, um Lebensmittelverluste durch Verderb in Teilen der Welt zu reduzieren, die bereits unter begrenzten Lebensmittelvorräten leiden. In Anerkennung dieses Potenzials wurde das Forscherteam teilweise vom Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab des MIT unterstützt.

„Diese Technologie kombiniert einige der guten Eigenschaften früherer Technologien wie Verdunstungskühlung und Strahlungskühlung“, sagt Lu. Durch die Verwendung dieser Kombination, sagt er, „zeigen wir, dass Sie eine erhebliche Verlängerung der Lebensmittellebensdauer erreichen können, selbst in Bereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit“, was die Möglichkeiten herkömmlicher Verdunstungs- oder Strahlungskühlsysteme einschränkt.

Es wäre auch an Orten nützlich, die über bestehende Klimaanlagen in Gebäuden verfügen. Dort könnte das neue System eingesetzt werden, um die Belastung dieser Systeme deutlich zu reduzieren, indem kühles Wasser zum heißesten Teil des Systems, dem Kondensator, geleitet wird. „Indem Sie die Kondensatortemperatur senken, können Sie die Effizienz der Klimaanlage effektiv steigern und so möglicherweise Energie sparen“, sagt Lu.

Obwohl er sagt, dass andere Gruppen auch passive Kühltechnologien verfolgt haben, „sind wir durch die synergetische Kombination dieser Merkmale jetzt in der Lage, eine hohe Kühlleistung zu erzielen, selbst in Bereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit, in denen frühere Technologien im Allgemeinen nicht gut funktionieren.“

Das System besteht aus drei Materialschichten, die gemeinsam für Kühlung sorgen, wenn Wasser und Wärme durch das Gerät strömen. In der Praxis könnte das Gerät einem herkömmlichen Solarpanel ähneln, aber anstatt Strom zu erzeugen, würde es direkt für Kühlung sorgen. Zum Beispiel könnte es als Dach eines Vorratsbehälters für Lebensmittel dienen und den Inhalt kühl halten. Eine weitere praktische Anwendung wäre es, gekühltes Wasser durch Rohre zu leiten, um Teile einer bestehenden Klimaanlage zu kühlen und deren Effizienz zu verbessern. Die Wartung ist minimal; es muss lediglich Wasser für die Verdunstung hinzugefügt werden. Darüber hinaus ist der Wasserverbrauch so gering, dass dies in den heißesten und trockensten Gebieten nur etwa alle vier Tage und in feuchteren Gebieten nur einmal im Monat erfolgen müsste.

Für die oberste Schicht wird Aerogel verwendet. Dieses Material besteht hauptsächlich aus Luft, die in den Hohlräumen einer schwammartigen Struktur aus Polyethylen eingeschlossen ist. Obwohl es hochisolierend ist, lässt es sowohl Wasserdampf als auch Infrarotstrahlung ungehindert durch. Die Verdunstung von Wasser (das aus der darunter liegenden Schicht aufsteigt) liefert 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 blasen.

Hydrogel wird für die nächste Schicht unter dem Aerogel verwendet. Es ist ein weiteres schwammartiges Material, dessen Porenräume jedoch nicht mit Luft, sondern mit Wasser gefüllt sind. Es ähnelt dem Material, das derzeit kommerziell für Produkte wie Kühlkissen oder Wundauflagen verwendet wird. Dies stellt die Wasserquelle für die Verdunstungskühlung bereit, da sich Wasserdampf an seiner Oberfläche bildet und der Dampf direkt durch die Aerogelschicht nach oben und in die Umgebung gelangt.

Unterhalb des Hydrogels reflektiert eine spiegelartige Schicht das einfallende Sonnenlicht, schickt es zurück nach oben durch das Gerät, anstatt die Materialien aufzuheizen und so deren thermische Belastung zu verringern. Und die obere Aerogelschicht, die ein guter Isolator ist, ist auch stark sonnenreflektierend, wodurch die Sonneneinstrahlung des Geräts selbst bei starker direkter Sonneneinstrahlung begrenzt wird.

„Die Neuheit hier besteht wirklich nur darin, die Strahlungskühlungsfunktion, die Verdunstungskühlungsfunktion und auch die Wärmedämmungsfunktion in einer Architektur zusammenzubringen”, 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 selbst bei suboptimalen Wetterbedingungen, sagt Lu, und erreichte eine Kühlung von 9,3 °C (18,7 °F).

„Die Herausforderung bestand zuvor darin, dass Verdunstungsmaterialien oft nicht gut mit der Sonnenabsorption umgehen“, sagt Lu. „Bei diesen anderen Materialien werden sie normalerweise erhitzt, wenn sie in der Sonne stehen, sodass sie bei Umgebungstemperatur keine hohe Kühlleistung erreichen können.“

Die Eigenschaften des Aerogel-Materials sind ein Schlüssel zur Gesamteffizienz des Systems, aber dieses Material ist derzeit teuer in der Herstellung, da es eine spezielle Ausrüstung für die kritische Punkttrocknung (CPD) erfordert, um Lösungsmittel langsam aus der empfindlichen porösen Struktur zu entfernen, ohne sie zu beschädigen. Die Schlüsseleigenschaft, die kontrolliert werden muss, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, 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 erhält Lösungsmittel daraus. Das Forschungsteam untersucht derzeit Möglichkeiten, diesen Trocknungsprozess entweder kostengünstiger zu gestalten, beispielsweise durch 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 er sagt, dass es unmöglich vorherzusagen ist, wie lange diese Entwicklung dauern wird, bis dieses System für eine breite Anwendung praktisch gemacht werden kann.

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 breiteren Spektrum von Klimazonen wirksam sein als Verdunstungskühlung oder Strahlungskühlung allein. Die Arbeit könnte bedeutende praktische Anwendungen anziehen, beispielsweise in der Lebensmittelkonservierung, wenn das System zu vernünftigen Kosten hergestellt werden kann.“

Referenz: „Signifikant verbesserte passive Kühlung unter Umgebungstemperatur, ermöglicht durch Verdunstung, Strahlung und Isolierung“ von Zhengmao Lu, Arny Leroy, Lenan Zhang, Jatin J. Patil, Evelyn N. Wang und Jeffrey C. Grossman, 20. September 2022, Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.101068

Zum Forschungsteam gehörten Lenan Zhang vom Department of Mechanical Engineering des MIT und Jatin Patil vom Department of Materials Science and Engineering.

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