Als energiesparende Alternative zu Zentralheizung und Klimaanlage kann ein neues Prototyp-Fenster im Winter Wärme aufnehmen und im Sommer reflektieren.
Forscher der University of Pittsburgh haben ihre ultradünne „intelligente Verglasungstechnologie“ entwickelt, die potenziell vorhandene Fenster im Haus auskleiden kann.
Die aus chemischen Verbindungen bestehende Verglasung kann ihre atomare Anordnung ändern, um das Sonnenlicht je nach Jahreszeit entweder zu reflektieren oder zu absorbieren.
Die Wärmeenergie der Infrarotstrahlen der Sonne wird absorbiert und im Winter als Wärme an einen Raum abgegeben oder im Sommer zur Kühlung von Räumen reflektiert.
Experten zufolge könnte die „intelligente Fenster“-Technologie, wenn sie vermarktet wird, den Energieverbrauch eines durchschnittlichen Hauses um bis zu einem Drittel senken.
Sie nennen es „effizient“, „ästhetisch ansprechend“ und entscheidend für die erfolgreiche Einführung umweltfreundlicher Technologien angesichts des Klimawandels.
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Die Wärmeenergie der Infrarotstrahlen der Sonne wird absorbiert und im Winter als Wärme an einen Raum abgegeben oder im Sommer zur Kühlung von Räumen reflektiert
Die hergestellten intelligenten Fenster sind in beiden Zuständen gezeigt, was zeigt, dass sich das durchgelassene sichtbare Licht nur sehr wenig ändert
“Die wichtigste Neuerung besteht darin, dass sich diese Fenster je nach saisonalem Bedarf ändern können”, sagte Studienautor Nathan Youngblood, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der University of Pittsburgh.
„Sie absorbieren im Winter nahes Infrarotlicht der Sonne und wandeln es in Wärme für das Innere eines Gebäudes um.
„In den Sommermonaten kann die Sonne reflektiert statt absorbiert werden.“
Der Film besteht aus einem weniger als 300 Nanometer dicken Materialstapel mit einer sehr dünnen aktiven Schicht aus „Phasenwechsel“-Materialien, die die unsichtbaren Wellenlängen des Sonnenlichts absorbieren und als Wärme abgeben können.
Dasselbe Material kann „umgeschaltet“ werden, sodass es stattdessen diese Lichtwellenlängen abwendet.
“Wichtig ist, dass sichtbares Licht in beiden Zuständen fast identisch übertragen wird, sodass Sie die Änderung im Fenster nicht bemerken würden”, sagte Youngblood.
“Diese ästhetische Überlegung ist entscheidend für die Einführung umweltfreundlicher Technologien.”
Die Verglasung funktioniert, indem sie bei Anwendung von Wärme von einer „amorphen“ Anordnung von Atomen zu einer „kristallinen Anordnung“ wechselt.
In einer amorphen Anordnung sind Atome ziemlich unregelmäßig angeordnet, aber der Wechsel zu einer kristallinen Anordnung seiner Atome führt dazu, dass sich die Atome viel dichter bündeln, wodurch sie Wärme abstrahlen können.
Der Schalter wird in Sekundenbruchteilen durch eine „transparente Heizung“ ausgelöst, die Teil der Mehrschichtverglasung ist.
Wenn es kalt ist, werden die Infrarotstrahlen des Sonnenlichts geerntet und in Gebäudewärme umgewandelt, um Heizkosten zu sparen.
Wenn es warm ist, kann das neue Glas den Zustand wechseln, um die Wärme zu reflektieren und die Notwendigkeit einer Klimaanlage zu reduzieren.
Aber das Material könnte sogar so angepasst werden, dass beispielsweise 30 Prozent des Materials Wärme ableiten, während 70 Prozent sie aufnehmen und abgeben, was eine genauere Temperaturkontrolle, etwa im Frühling und Herbst, ermöglicht.
Forscher schätzen, dass die Verwendung dieser Fenster – einschließlich der zur Kontrolle des Films erforderlichen Energie – jährlich 20 bis 34 Prozent des Energieverbrauchs im Vergleich zu doppelt verglasten Fenstern einsparen würde, die normalerweise in Häusern zu finden sind.
Üblicherweise werden die thermischen und optischen Eigenschaften aktueller Fenster im Rahmen des Herstellungsprozesses in die Glasbeschichtung „eingestellt“.
Gläser mit einem höheren Reflexionsvermögen oder einer Sonnenschutzbeschichtung lassen deutlich weniger natürliches Licht durch und umgekehrt.
Üblicherweise werden die thermischen und optischen Eigenschaften aktueller Fenster im Rahmen des Herstellungsprozesses in die Glasbeschichtung „eingestellt“ (Archivbild)
Um ihre Prototypen zu erstellen und zu testen, arbeiteten die Forscher mit der Spin-out-Firma Bodle Technologies der University of Oxford zusammen, die ihren Sitz in der Nähe von Kidlington hat.
Bodle Technologies ist auf ultradünne reflektierende Folien spezialisiert, die als Displays fungieren können, indem sie Farbe und Licht steuern.
„Diese Arbeit demonstriert eine weitere interessante optoelektronische Anwendung von Phasenwechselmaterialien mit dem Potenzial, unser tägliches Leben erheblich zu verbessern“, sagte Peiman Hosseini, CEO von Bodle Technologies.
“Ich glaube, dass diese Technologie Teil jedes zukünftigen ganzheitlichen politischen Ansatzes zur Bekämpfung des Klimawandels sein sollte.”
Die Arbeit wurde in der Zeitschrift ACS Photonics veröffentlicht.