Gebouwen besteden meer dan 30% van hun energieverbruik aan verwarming, koeling, en verlichtingssystemen. Passieve ontwerpen zoals koele dakverven hebben een lange weg afgelegd om dit gebruik te verminderen, en de impact ervan op het milieu en het klimaat, maar ze hebben één belangrijke beperking:ze zijn meestal statisch, en dus niet reagerend op dagelijkse of seizoensgebonden veranderingen.

Columbia Engineering-onderzoekers hebben poreuze polymeercoatings (PPC's) ontwikkeld die goedkope en schaalbare manieren mogelijk maken om licht en warmte in gebouwen te regelen. Ze maakten gebruik van de optische schakelbaarheid van PPC's in de zonnegolflengten om zonneverwarming en daglichttoetreding te regelen, en breidde het concept uit naar thermische infraroodgolflengten om de warmte die door objecten wordt uitgestraald te moduleren. Hun werk wordt op 21 oktober gepubliceerd, 2019 door Joule .

"Ons werk laat zien dat door PPC's te bevochtigen met gewone vloeistoffen zoals alcohol of water, we kunnen hun optische transmissie omkeerbaar schakelen in de zonne- en thermische golflengten, " zegt Jyotirmoy Mandal, hoofdauteur van de studie en een voormalig Ph.D. student in het lab van Yuan Yang, assistent-professor materiaalkunde en techniek. "Door dergelijke PPC's in holle plastic of glazen panelen te plaatsen, we kunnen gebouwschilden maken die de binnentemperatuur en het licht kunnen reguleren."

Het ontwerp van het team is vergelijkbaar met slimme ramen, maar met een hogere optische schakelbaarheid, en is gebouwd met behulp van eenvoudiger, goedkope materialen die het op grote schaal uitvoerbaar zouden kunnen maken. Het bouwt voort op eerder werk dat een verfachtige fluorpolymeercoating demonstreerde met luchtholtes op nano- tot microschaal die gebouwen kunnen afkoelen. Die coating was statisch, echter. "In plaatsen als New York, die warme zomers en strenge winters kent, ontwerpen die kunnen schakelen tussen verwarming en koeling kunnen nuttiger zijn, " zegt Yang.

Het team begon hun werk aan het optisch wisselen van PPC's, toen Mandal merkte dat een paar druppels alcohol die op een witte fluorpolymeer PPC waren gemorst, het transparant maakte. "Wat we zagen was hetzelfde mechanisme dat ervoor zorgt dat papier doorschijnend wordt als het nat wordt. maar op een bijna optimaal niveau, ", zegt Mandal. "De fysica hiervan is eerder onderzocht, maar de drastische omschakeling die we zagen, bracht ons ertoe dit specifieke geval te onderzoeken, en hoe het kan worden gebruikt."

Een poreus materiaal zoals papier lijkt wit omdat de lucht in de poriën een andere brekingsindex (~1) heeft dan die van het poreuze materiaal (~1.5), waardoor ze licht verstrooien en weerkaatsen. Wanneer bevochtigd door water, die een brekingsindex (~ 1,33) dichter bij het materiaal heeft, verstrooiing wordt verminderd en er gaat meer licht door, doorschijnend maken. De transmissie neemt toe wanneer de brekingsindices nauw overeenkomen. De onderzoekers ontdekten dat hun fluorpolymeer (~1.4) en typische alcoholen (~1.38) zeer nauwe brekingsindices hebben.

"Dus als het nat is, het poreuze polymeer wordt optisch homogeen, " zegt Yang. "Licht is niet langer verstrooid, en gaat door - net zoals het door massief glas zou gaan - het poreuze polymeer wordt transparant."

Vanwege de bijna perfecte aanpassing van de brekingsindex van alcoholen en het fluorpolymeer, het team zou de zonnetransmissie van hun PPC's met ~74% kunnen veranderen; voor het zichtbare deel van het zonlicht, de verandering was ~80%. Hoewel het schakelen langzamer gaat dan in typische slimme vensters, de transmissieveranderingen zijn aanzienlijk hoger, PPC's aantrekkelijk maken voor het regelen van daglicht in gebouwen.

De onderzoekers onderzochten ook hoe optische schakeling kan worden gebruikt voor thermoregulatie. "We stelden ons daken voor die in de zomer wit zijn om gebouwen koel te houden, en in de winter zwart worden om ze te verwarmen, " zegt Yang, "Dit kan de kosten voor airconditioning en verwarming van gebouwen aanzienlijk verlagen".

Om hun idee te testen, de onderzoekers plaatsten panelen met PPC's op speelgoedhuizen met zwarte daken. Eén paneel was droog en reflecterend, terwijl de andere nat en doorschijnend was, met het zwarte dak eronder. Onder zonlicht op een zomermiddag, het witte dak werd koeler dan de omgevingslucht met ~3C/5F, terwijl de zwarte veel heter werd, door ~21C/38F.

Het team onderzocht ook het schakelen in de thermische infraroodgolflengten, en observeerde een nieuwe omschakeling tussen "ijskast" naar "kas" toestanden door infrarood-transparante polyethyleen PPC's te bevochtigen. Als het droog is, de poreuze polyethyleen PPC's reflecteren zonlicht maar zenden stralingswarmte uit, gedraagt ​​zich als een "ijshuis". Door de PPC's nat te maken, laten ze zonlicht door, en, omdat typische vloeistoffen thermische golflengten absorberen, stralingswarmte blokkeren, als een serre. Omdat ze zowel zonne- als warmtestraling moduleren, ze kunnen de warmte zowel overdag als 's nachts reguleren.

"Hoewel eenvoudig verkregen, de overgang is vrij ongebruikelijk in vergelijking met schakelen in andere optische systemen, en is misschien de eerste keer dat het is gemeld, ' zegt Mandal.

Het team van Yang heeft ook andere mogelijke toepassingen getest, zoals thermische camouflage en verven die reageren op regen. Deze laatste zou kunnen worden gebruikt om gebouwen in mediterrane klimaatzones en de Californische kust te koelen of te verwarmen, die droge zomers en regenachtige winters zien. De onderzoekers kijken nu naar manieren om hun ontwerpen op te schalen, en mogelijkheden verkennen om ze op grote schaal in te zetten en te testen.

"Gezien de schaalbaarheid en prestaties van de op PPC gebaseerde ontwerpen, we hopen dat hun toepassingen wijdverbreid zullen zijn, " zegt Yang, "vooral, we zijn enthousiast over hun potentiële toepassingen op gevels van gebouwen".

Mandaal, die nu postdoctoraal onderzoek doet als Schmidt Science Fellow aan de University of California, Los Angeles, voegt toe, "We hebben bewust gekozen voor algemeen beschikbare polymeren en eenvoudige ontwerpen voor ons werk. Het doel is om ze lokaal produceerbaar en implementeerbaar te maken in ontwikkelingslanden, waar ze de grootste impact zouden hebben."

De studie is getiteld "Porous Polymers with Switchable Optical Transmittance for Optical and Thermal Regulation."