Nanoparticulate selective emitters for effective radiative cooling in urban heat islands
Diese Studie zeigt, dass nanopartikuläre selektive Emitter (Nano-SEs) Breitbandalternativen bei der Milderung städtischer Hitzeinseln deutlich übertreffen, indem sie unter den für dichte Stadtlandschaften typischen eingeschränkten Himmelssichtfaktoren niedrigere Oberflächentemperaturen erreichen und somit eine skalierbare Lösung zur Verbesserung der thermischen Resilienz von Städten bieten.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Städte sind oft deutlich wärmer als das sie umgebende Umland, ein Phänomen, das als städtischer Hitzeinseleffekt bekannt ist. Diese zusätzliche Hitze entsteht dadurch, dass die Sonne Gebäude und Straßen erwärmt, die diese gespeicherte Energie dann wieder an die Luft abgeben, was eine Rückkopplungsschleife erzeugt, die Städte schwerer abkühlbar und teurer im Unterhalt macht. Ein vielversprechender Weg, dies ohne Stromverbrauch zu bekämpfen, ist die radiative Kühlung. Dieser Prozess funktioniert dadurch, dass eine Oberfläche ihre Wärme direkt in das kalte Vakuum des Weltraums abstrahlt. Die Atmosphäre fungiert dabei wie ein Fenster für diese Wärme, indem sie die Infrarotstrahlung durch einen bestimmten Wellenlängenbereich passieren lässt, während sie sie bei anderen Wellenlängen blockiert. Wenn ein Material in der Lage ist, Wärme stark durch dieses atmosphärische Fenster zu emittieren und gleichzeitig Sonnenlicht zu reflektieren, kann es theoretisch selbst dann abkühlen, wenn die Umgebungsluft heiß ist.
Jahrelang debattierten Wissenschaftler über den besten Weg, diese Kühlmaterialien zu bauen. Einige Designs sind „breitbandig“, was bedeutet, dass sie Wärme über einen weiten Bereich von Infrarotwellenlängen emittieren. Andere sind „selektiv“, darauf ausgelegt, Wärme nur durch dieses spezifische atmosphärische Fenster zu emittieren und gleichzeitig Wärme bei allen anderen Wellenlängen zu reflektieren. In offenen, ländlichen Gebieten, in denen der Himmel unbedeckt ist, deuteten frühere Forschungen darauf hin, dass die komplexeren selektiven Designs nur einen winzigen Vorteil gegenüber den einfacheren breitbandigen Designs boten. Dies führte dazu, dass viele glaubten, der zusätzliche Aufwand zur Herstellung selektiver Emittenten sei es nicht wert zu sein. Diese Schlussfolgerung setzte jedoch voraus, dass eine freie Sicht auf den Himmel besteht – eine Bedingung, die in den dichten, schluchtenartigen Straßen einer modernen Stadt selten existiert.
Ein Team von Forschern des University College London und anderer Institutionen hat nun gezeigt, dass selektive Emittenten in der realen Welt von Stadtdächern weit überlegen sind. Sie fanden heraus, dass, wenn eine Kühlfläche von heißen Gebäuden umgeben ist, die einfachen breitbandigen Materialien die unerwünschte Wärme absorbieren, die von diesen Wänden abgestrahlt wird, was dazu führt, dass sie sich aufwärmen. Selektive Emittenten hingegen reflektieren diese Streuwärme der Gebäude, während sie ihre eigene Wärme weiterhin in den Weltraum entweichen lassen. Um dies zu beweisen, entwickelten die Forscher ein neues Material namens nanopartikulärer selektiver Emittent. Anstatt komplexe, starre Schichten zu verwenden, die schwierig herzustellen sind, erschufen sie winzige Partikel aus Siliziumoxynitrid. Diese Partikel wurden mit einer porösen, schwammartigen Struktur konstruiert, um sicherzustellen, dass sie während der Herstellung vollständig umgewandelt werden können, was ihnen die perfekte Fähigkeit verleiht, Wärme nur durch das atmosphärische Fenster zu emittieren.
Die Forscher testeten diese Materialien in zwei sehr unterschiedlichen Umgebungen. Zuerst platzierten sie diese auf einem Dach in London mit freier Sicht auf den Himmel. Wie erwartet funktionierten die selektiven Emittenten fast genauso wie die breitbandigen Materialien und kühlten die Oberfläche um einige Grad unter die Umgebungstemperatur. Dies bestätigte, dass in offenen Räumen der zusätzliche Aufwand für selektive Emittenten keinen großen Vorteil bietet. Die Geschichte änderte sich jedoch völlig, als sie eine dichte städtische Umgebung simulierten. Sie bauten einen Testaufbau auf, bei dem die Kühlproben von erhitzten Wänden umgeben waren, was die heißen Fassaden hoher Gebäude nachahmte, die die Sicht auf den Himmel blockieren. In diesem Szenario versagten die breitbandigen Materialien bei der effektiven Kühlung und wurden oft wärmer als die Umgebungsluft, weil sie die Wärme von den Wänden absorbierten. Die selektiven Emittenten hingegen kühlten weiterhin und blieben signifikant kühler als die breitbandigen Versionen.
Der Vorteil des selektiven Designs wuchs mit zunehmender Umgebungshitze. Als die Forscher Wände simulierten, die auf Temperaturen zwischen 40 und 80 Grad Celsius erhitzt waren, blieben die selektiven Emittenten bis zu 5 Grad Celsius kühler als die breitbandigen Materialien. In noch extremeren Simulationen, in denen die Wärmequelle Temperaturen von 500 Grad Celsius erreichte, weitete sich die Lücke weiter aus. Dies geschieht, weil die von sehr heißen Objekten abgestrahlte Wärme zu kürzeren Wellenlängen wandert, die außerhalb des atmosphärischen Fensters liegen; das selektive Material weist diese Wärme natürlich ab, während das breitbandige Material sie absorbiert. Das Team entwickelte auch zwei Versionen ihres Materials: eine, die Sonnenlicht reflektiert, um auf opaken Dächern verwendet zu werden, und eine, die für Sonnenlicht transparent ist, um auf Fenstern oder Gewächshäusern verwendet zu werden. Beide Versionen behielten ihre Fähigkeit bei, Wärme aus der Umgebung abzustoßen und gleichzeitig ihre eigene Wärme wegzustrahlen.
Unter Verwendung von Computermodellen, die auf dem tatsächlichen Layout von London basieren, projizierte das Team, was passieren würde, wenn ganze Stadtviertel mit diesen Materialien bedeckt wären. In Gegenden mit niedriger Bebauung funktionierten beide Arten von Materialien gut. Aber in den Hochhausdistrikten, in denen die Sicht auf den Himmel durch Wolkenkratzer stark blockiert ist, hatten die breitbandigen Materialien Schwierigkeiten, die Dächer kühl zu halten. Die selektiven Emittenten hingegen hielten über das gesamte Distrikt hinweg niedrigere Temperaturen und begegneten effektiv der Hitze, die in den Gebäuden gefangen war. Diese Arbeit legt nahe, dass während einfache Kühlmaterialien für offene Räume ausreichen mögen, die einzigartigen Herausforderungen dichter Städte die Präzision selektiver Emittenten erfordern. Durch das Abstoßen der von benachbarten Gebäuden abgestrahlten Wärme und das gleichzeitige Freisetzen der eigenen Wärme in das kalte Universum bieten diese neuen, auf Nanopartikeln basierenden Materialien einen skalierbaren und praktischen Weg, um zukünftige Städte lebenswerter und energieeffizienter zu machen.
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