Wetenschap
Elektriciteitsbesparing bij zomerse hitte:Mario Stucki ontwikkelde een nieuw type membraan dat kamers koelt. Krediet:Peter Rüegg / ETH Zürich
Klimaatverandering leidt in veel gebieden tot steeds hogere temperaturen en droogte, waardoor efficiënte ruimtekoeling steeds belangrijker wordt. Een ETH-promovendus van het Functional Materials Laboratory heeft een alternatief ontwikkeld voor elektrisch aangedreven airconditioning:een koelgordijn van een poreus drielaags membraan.
Het begon allemaal met een vaag idee:"We dachten dat het interessant zou zijn om tegengestelde functies in één materiaal te combineren, " zegt Mario Stucki, een doctoraatsstudent aan het Functional Materials Laboratory van ETH Zürich. Hij combineerde twee lagen hydrofoob (waterafstotend) polyurethaan met een middelste laag hydrofiel (wateraantrekkend) polymeer. Het resulterende membraan voelt droog aan, hoewel het verzadigd is met water, en aangezien de buitenste lagen zijn bedekt met gaten van ongeveer een micrometer in diameter, water kan vanuit de middelste laag naar de omgeving ontsnappen.
Een alternatief voor hitte geteisterde gebieden
Toen Stucki zich realiseerde hoe goed het watertransport over de verschillende lagen heen werkt, hij kwam op het idee van het koelgordijn. "Waterverdamping kost veel energie, "zegt hij. "Warmte wordt uit de lucht gehaald, het koelt en bevochtigt tegelijkertijd de omgeving." Conventionele luchtbevochtigers werken op dezelfde manier - maar ze hebben veel stroom nodig, terwijl het systeem van Stucki passief is. "Het zonlicht dat door een raam op het gordijn valt, levert genoeg energie voor dit type airconditioning."
Dergelijke gordijnen kunnen een echte zegen zijn in warme en droge gebieden. in 2015, mensen op het Arabisch Schiereiland hebben een hittegolf doorstaan met temperaturen van meer dan 50°C. Klimaatwetenschappers voorspellen nog hogere temperaturen en ernstige droogte voor woestijngebieden, die ertoe kunnen leiden dat bepaalde klimaatzones onbewoonbaar worden. Het koelen van gebouwen en kamers wordt dus steeds belangrijker, maar het verslindt enorme hoeveelheden elektriciteit. In de VS, bijvoorbeeld, ongeveer 15 procent van het energieverbruik kan worden toegeschreven aan airconditioningapparatuur, en een enorme hoeveelheid van deze energie komt van fossiele brandstoffen. Het passieve koelgordijn zou een milieu- en klimaatvriendelijk alternatief zijn.
Doorontwikkeling van een eerdere innovatie
Stucki trok in 2013 de aandacht met zijn masterscriptie aan de ETH Zürich, toen hij in een mum van tijd een nieuw materiaal voor buitengebruik ontwikkelde. In tegenstelling tot conventioneel functioneel textiel, het bevat geen fluorverbindingen, die schadelijk zijn voor het milieu en de menselijke gezondheid.
Verbazingwekkend dun:het membraan is nauwelijks dikker dan een vel papier. Krediet:Peter Rüegg / ETH Zürich
Zijn huidige onderzoek maakt gebruik van die vinding:hij functionaliseerde zijn textiel met placeholders, waarvoor hij minuscule kalksteendeeltjes mengde in het vloeibare polymeer, die later in het textiel wordt verwerkt. De kalksteendeeltjes worden vervolgens met zoutzuur of azijnzuur uit de vaste stof verwijderd, zodat er minuscule gaatjes ontstaan op de plekken van de nanodeeltjes. Deze zijn nodig om het materiaal te laten functioneren en te "ademen". De buitenwanden van het koelgordijn zijn gemaakt van dit poreuze materiaal zodat de middelste hydrofiele laag water kan afgeven aan de omgeving.
Stucki gebruikte een methode die in 2012 is ontwikkeld door ETH-professor Wendelin Stark en zijn groep om de verschillende lagen in één materiaal te combineren. Deze lagen zijn niet aan elkaar gelijmd, zoals gebruikelijk bij industriële processen; in plaats daarvan, ze worden op elkaar geplaatst in een geschikt oplosmiddel, waarbij de buitenste lagen iets oplossen en aansluiten op de middelste laag. Alleen zo kunnen de onderzoekers ervoor zorgen dat het buitenmateriaal van het membraan poreus blijft.
Een succesvolle proof of concept
Stucki kon de basisfunctionaliteit van het koelgordijn door experimenten bewijzen. Hij legde het drielaagse membraan in een waterbad en mat het waterverlies naar de omgeving bij 30°C en 50 procent luchtvochtigheid (tussen 1,2 kg en 1,7 kg water per dag en vierkante meter). De onderzoekers berekenden de resultaten op basis van een kubuswoning met een muurlengte van 10 meter. Bij een buitentemperatuur van 40°C en een binnentemperatuur van 30°C, het gordijnoppervlak van 80m2 was voldoende om meer warmte af te voeren dan het zonlicht levert, wat betekent dat het huis passief werd gekoeld.
"We hebben kunnen laten zien dat ons systeem fundamenteel werkt, " zegt Stucki, "maar om het te commercialiseren, we hebben nog veel vragen om op te lossen." ze moeten bepalen hoe het materiaal zich microbiologisch gedraagt, omdat hoge temperaturen en vochtigheid de ideale voedingsbodem vormen voor de groei van bacteriën en schimmels. Stucki zegt, echter, dat de kunststof die voor de buitenlaag wordt gebruikt relatief eenvoudig kan worden vervangen door antiseptische materialen; dit is een van de voordelen van functionalisering met nanodeeltjes van kalksteen.
Een andere uitdaging is ervoor te zorgen dat het gordijn water over het hele oppervlak kan verdampen, waarvoor verbeteringen aan het watertransport in het membraan nodig zijn. Ook is nog onduidelijk hoe lang het membraan stabiel kan functioneren.
Na het behalen van zijn doctoraat in de zomer, Stuck zal zich concentreren op het commercialiseren van fluorvrij outdoortextiel. Hij is momenteel op zoek naar financieringspartners. Echter, hij heeft niet uitgesloten dat het nieuwe membraan ook potentie heeft in de buitensector, omdat het bij uitstek geschikt is voor het reguleren en afvoeren van zweet - een van de belangrijkste eigenschappen van functioneel textiel.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com