Om de zomerhitte te bestrijden, kantoor- en woongebouwen hebben de neiging om de airconditioning aan te zwengelen, het sturen van energierekeningen die de pan uitrijzen. Inderdaad, naar schatting verbruiken airconditioners ongeveer 6 procent van alle elektriciteit die in de Verenigde Staten wordt geproduceerd, tegen een jaarlijkse kostprijs van $ 29 miljard dollar - een uitgave die zeker zal groeien naarmate de wereldwijde thermostaat stijgt.

Nu hebben MIT-ingenieurs een warmteafstotende film ontwikkeld die op de ramen van een gebouw kan worden aangebracht om tot 70 procent van de binnenkomende warmte van de zon te weerkaatsen. De film kan zeer transparant blijven onder 32 graden Celsius, of 89 graden Fahrenheit. Boven deze temperatuur zeggen de onderzoekers, de film fungeert als een "autonoom systeem" om warmte af te wijzen. Ze schatten dat als elk naar buiten gericht raam in een gebouw in deze film zou zitten, de airconditioning- en energiekosten van het gebouw kunnen met 10 procent dalen.

De film is vergelijkbaar met transparante plasticfolie, en de warmte-afstotende eigenschappen komen van kleine microdeeltjes die erin zijn ingebed. Deze microdeeltjes zijn gemaakt van een soort faseveranderend materiaal dat krimpt bij blootstelling aan temperaturen van 85 graden Fahrenheit of hoger. In hun compactere configuraties, de microdeeltjes geven de normaal transparante film een ​​meer doorschijnende of matte look.

Toegepast op ramen in de zomer, de film kon een gebouw passief koelen en toch een goede hoeveelheid licht binnenlaten. Nicolaas Fang, een professor in de werktuigbouwkunde aan het MIT, zegt dat het materiaal een betaalbaar en energiezuinig alternatief biedt voor bestaande slimme raamtechnologieën.

"Slimme ramen die momenteel op de markt zijn, zijn ofwel niet erg efficiënt in het afwijzen van warmte van de zon, of, zoals sommige elektrochrome ramen, ze hebben misschien meer kracht nodig om ze aan te drijven, dus je zou betalen om ramen in principe ondoorzichtig te maken, zegt Fang. "We dachten dat er misschien ruimte zou zijn voor nieuwe optische materialen en coatings, om betere slimme vensteropties te bieden."

Fang en zijn collega's, waaronder onderzoekers van de Universiteit van Hong Kong, hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Joule .

"Een visnet in het water"

Iets meer dan een jaar geleden, Fang begon samen te werken met onderzoekers van de Universiteit van Hong Kong, die op zoek waren naar manieren om het energieverbruik van gebouwen in de stad te verminderen, vooral in de zomermaanden, wanneer de regio notoir heet wordt en het gebruik van airconditioning op zijn hoogtepunt is.

"Het aangaan van deze uitdaging is van cruciaal belang voor een grootstedelijk gebied als Hong Kong, waar ze een strikte deadline hebben voor energiebesparing, " zegt Fang, verwijzend naar de toezegging van Hong Kong om zijn energieverbruik tegen 2025 met 40 procent te verminderen.

Na wat snelle berekeningen, Fangs studenten ontdekten dat een aanzienlijk deel van de warmte van een gebouw door ramen komt, in de vorm van zonlicht.

"Het blijkt dat voor elke vierkante meter, ongeveer 500 watt aan energie in de vorm van warmte wordt binnengebracht door zonlicht door een raam, ' zegt Fang. 'Dat komt overeen met ongeveer vijf gloeilampen.'

Hoektand, wiens groep de lichtverstrooiende eigenschappen van exotische, faseveranderende materialen, vroeg zich af of dergelijke optische materialen voor ramen kunnen worden gemaakt, om een ​​aanzienlijk deel van de binnenkomende warmte van een gebouw passief te reflecteren.

De onderzoekers zochten in de literatuur naar 'thermochrome' materialen - temperatuurgevoelige materialen die tijdelijk van fase veranderen, of kleur, als reactie op warmte. Ze landden uiteindelijk op een materiaal gemaakt van poly (N-isopropylacrylamide)-2-aminoethylmethacrylaat hydrochloride microdeeltjes. Deze microdeeltjes lijken op kleine, transparant, bolletjes met vezelvliezen en zijn gevuld met water. Bij temperaturen van 85 F of hoger, de bollen persen in wezen al hun water uit en krimpen in strakke bundels vezels die licht op een andere manier reflecteren, het materiaal doorschijnend maken.

"Het is als een visnet in het water, " zegt Fang. "Elk van die vezels die het net maken, zelf, reflecteert een bepaalde hoeveelheid licht. Maar omdat er veel water in het visnet zit, elke vezel is moeilijker te zien. Maar als je het water eruit knijpt, de vezels worden zichtbaar."

Bij eerdere experimenten is andere groepen hadden ontdekt dat hoewel de gekrompen deeltjes licht relatief goed konden afstoten, ze waren minder succesvol in het afschermen tegen hitte. Fang en zijn collega's realiseerden zich dat deze beperking te maken had met de deeltjesgrootte:de eerder gebruikte deeltjes slonken tot een diameter van ongeveer 100 nanometer - kleiner dan de golflengte van infrarood licht - waardoor warmte gemakkelijk er doorheen kan.

In plaats daarvan, Fang en zijn collega's breidden de moleculaire keten van elk microdeeltje uit, zodat wanneer het kromp als reactie op hitte, de diameter van het deeltje was ongeveer 500 nanometer, waarvan Fang zegt dat het 'meer compatibel is met het infraroodspectrum van zonnelicht'.

Een comfortverschil

De onderzoekers creëerden een oplossing van de hittewerende microdeeltjes, die ze tussen twee vellen glas van 12 bij 12 inch aanbrachten om een ​​met film gecoat venster te creëren. Ze schenen licht van een zonnesimulator op het raam om binnenkomend zonlicht na te bootsen, en ontdekte dat de film ijzig werd als reactie op de hitte. Toen ze de zonnestraling gemeten die door de andere kant van het raam werd uitgezonden, de onderzoekers ontdekten dat de film 70 procent van de door de lamp geproduceerde warmte kon afwijzen.

Het team bekleedde ook een kleine calorimetrische kamer met de warmteafstotende film en mat de temperatuur in de kamer terwijl ze licht van een zonnesimulator door de film schenen. Zonder de film, de binnentemperatuur verwarmd tot ongeveer 102 F - "ongeveer de temperatuur van hoge koorts, " Fang merkt op. Met de film, de binnenkamer bleef op een meer aanvaardbare 93 F.

"Dat is een groot verschil, "zegt Fang. "Je zou een groot verschil kunnen maken in comfort."

Vooruit gaan, het team is van plan om meer tests van de film uit te voeren om te zien of het aanpassen van de formule en het op andere manieren toepassen de hittewerende eigenschappen kan verbeteren.