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Nov 24, 2023

Farbe hält die Wärme im Winter drinnen und im Sommer draußen

Forscher zeigen, dass ihre neu erfundenen Farben, die sie in einer breiten Farbpalette herstellten, den Bedarf an Heizung und Klimaanlage in Gebäuden und anderen Räumen wie Zügen reduzieren können

Forscher zeigen, dass ihre neu erfundenen Farben, die sie in einer breiten Farbpalette herstellten, den Bedarf an Heizung und Klimaanlage in Gebäuden und anderen Räumen, wie z. B. Zügen und Lastkraftwagen für Kühlfracht, reduzieren können.

Objekte aus unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Formen, beschichtet mit den neuen Farben. (Bildnachweis: Yucan Peng)

Wissenschaftler der Stanford University haben eine neue Art von Farbe erfunden, die Häuser und andere Gebäude im Sommer kühler und im Winter wärmer halten kann und so den Energieverbrauch, die Kosten und die Treibhausgasemissionen deutlich reduziert.

Raumheizung und -kühlung sind für etwa 13 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs und etwa 11 Prozent der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Laut einer heute in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie reduzierten die neuen Farben den Energieverbrauch beim Heizen in Experimenten mit künstlichen, kalten Umgebungen um etwa 36 Prozent. Sie reduzierten den Energiebedarf für die Kühlung unter künstlich warmen Bedingungen um fast 21 Prozent. In Simulationen eines typischen mittelgroßen Wohnhauses in verschiedenen Klimazonen in den Vereinigten Staaten mit der neuen Farbe an Außenwänden und Dächern sank der Gesamtenergieverbrauch für Heizung, Lüftung und Klimaanlage im Laufe eines Jahres um 7,4 Prozent.

„Es wird prognostiziert, dass Energie und Emissionen aus der Heizung aufgrund von Energieeffizienzgewinnen weiter sinken werden, aber der Einsatz von Klimaanlagen nimmt zu, insbesondere in Entwicklungsländern in einer sich erwärmenden Welt“, sagte der leitende Autor der Studie, Yi Cui, Professor für Materialwissenschaft und -technik , für Energiewissenschaft und -technik sowie für Photonenwissenschaft am SLAC National Accelerator Laboratory.

„Sowohl bei der Heizung als auch bei der Klimatisierung müssen wir weltweit Energie und Emissionen reduzieren, um unsere Null-Emissions-Ziele zu erreichen“, sagte Cui, der das Precourt Institute for Energy und den Sustainability Accelerator leitet, beide innerhalb der Stanford Doerr School of Sustainability. „Der Frage, wie der Wärmeaustausch zwischen menschlichen Wohn- und Arbeitsräumen und ihrer Umgebung reduziert werden kann, wird immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet, und neue Materialien für eine verbesserte Isolierung – wie Folien mit niedrigem Emissionsgrad für Fenster – sind gefragt.“

Yucan Peng (Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Yucan Peng)

Aktuelle Farben mit niedrigem Emissionsgrad haben normalerweise eine metallische Silber- oder Graufarbe, was ihre Verwendung aufgrund der Ästhetik einschränkt. Die neu erfundenen Farben bestehen aus zwei getrennt aufgetragenen Schichten: einer infrarotreflektierenden Unterschicht aus Aluminiumflocken und einer ultradünnen, infrarottransparenten Oberschicht aus anorganischen Nanopartikeln, die in einer breiten Farbpalette erhältlich ist. Das Infrarotspektrum des Sonnenlichts verursacht 49 Prozent der natürlichen Erwärmung des Planeten, wenn es von Oberflächen absorbiert wird.

Um die Hitze fernzuhalten, kann die Farbe auf Außenwände und Dächer aufgetragen werden. Der größte Teil dieses Infrarotlichts dringt durch die Farbschicht der neuen Anstriche, wird von der unteren Schicht reflektiert und als Licht wieder ausgesendet, ohne von den Baumaterialien als Wärme absorbiert zu werden. Um die Wärme im Inneren zu halten, werden die Farben auf Innenwände aufgetragen, wo wiederum die untere Schicht die Infrarotwellen reflektiert, die Energie durch den Raum übertragen und für das menschliche Auge unsichtbar sind.

Konkret werden bis zu etwa 80 Prozent des Lichts im hohen mittleren Infrarotbereich von den Farben reflektiert und leisten so den größten Teil der Arbeit, die Wärme bei kaltem Wetter im Inneren und bei heißem Wetter draußen zu halten. Die Farbschicht reflektiert auch einen Teil des Nahinfrarotlichts, was die Reduzierung der Klimatisierung verstärkt. Das Forschungsteam testete seine Farben in Weiß, Blau, Rot, Gelb, Grün, Orange, Lila und Dunkelgrau. Die Forscher fanden heraus, dass sie das Licht im hohen mittleren Infrarotbereich zehnmal besser reflektierten als herkömmliche Farben in den gleichen Farben.

Die Farben können außerhalb von Gebäuden aufgetragen werden, um die Energieeffizienz an anderen Orten zu verbessern. Sie könnten beispielsweise Lastkraftwagen und Eisenbahnwaggons abdecken, die für den Kühltransport eingesetzt werden, wobei die Kühlkosten bis zur Hälfte des Transportbudgets ausmachen können.

Jian-Cheng Lai (Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Jian-Cheng Lai)

„Beide Schichten können auf verschiedene Oberflächen verschiedener Formen und Materialien aufgesprüht werden und bieten in vielen verschiedenen Situationen eine zusätzliche Wärmebarriere“, sagte Yucan Peng, Co-Hauptautorin der Studie, die 2020 in Stanford in Materialwissenschaften promovierte und es ist jetzt Postdoktorand am Geballe Laboratory for Advanced Materials in Stanford.

Die Forscher bewerteten auch, wie praktisch ihre Farben in verschiedenen Situationen wären. Beide Schichten sind wasserabweisend, was die Stabilität in feuchten Umgebungen erhöhen soll. Lackierte Oberflächen lassen sich leicht mit einem feuchten Tuch oder einer Wasserspülung reinigen, berichten die Forscher. Darüber hinaus wurden die Leistung und die Ästhetik der Farben nicht beeinträchtigt, nachdem sie eine Woche lang kontinuierlich hohen Temperaturen (176 Grad Fahrenheit), niedrigen Temperaturen (-320,5 Grad Fahrenheit) sowie stark sauren und schwach sauren Umgebungen ausgesetzt waren. In einigen US-Städten erhöhte sich durch die Farbe tatsächlich die Nutzung von Klimaanlagen leicht, aber an keinem Standort war eine erhöhte Gesamtlast der HLK-Anlage zu verzeichnen.

„Unser Team arbeitet weiterhin daran, die Farbformulierungen für praktische Anwendungen zu verfeinern“, sagte der andere Co-Hauptautor der Studie, Jian-Cheng Lai, ein Postdoktorand unter der Leitung von Zhenan Bao, Professor für Chemieingenieurwesen. „Zum Beispiel wären wasserbasierte Lösungen umweltfreundlicher als die von uns verwendeten organischen Lösungsmittel. Das könnte die Kommerzialisierung der Farben erleichtern.“

Weitere Mitglieder des Stanford-Forschungsteams, die in diesem Artikel bisher nicht erwähnt wurden, sind Zhenan Bao, KK Lee-Professor an der School of Engineering; Shanhui Fan, Joseph und Hon Mai Goodman Professor der School of Engineering und Professor für Elektrotechnik; Forschungswissenschaftler Jing Tang; Postdoktorand Jiawei Zhou; ehemalige Postdocs Weiliang Jin und Xin Gao; Doktorandin Yufei Yang; und ehemaliger Doktorand Lingling Fan. Bao ist außerdem Mitglied von Stanford Bio-X, dem Stanford Cardiocular Institute, der Wu Tsai Human Performance Alliance, dem Maternal & Child Health Research Institute (MCHRI) und dem Wu Tsai Neurosciences Institute; eine Tochtergesellschaft des Precourt Institute for Energy und des Stanford Woods Institute for the Environment; und Fakultätsmitglied von Sarafan ChEM-H. Cui ist außerdem Senior Fellow am Stanford Woods Institute for the Environment und Mitglied von Bio-X und dem Wu Tsai Neurosciences Institute. Fan ist außerdem Mitglied von Bio-X und eine Tochtergesellschaft des Precourt Institute for Energy.

Diese Forschung wurde von Stanford Nano Shared Facilities, der Stanford Nanofabrication Facility und Oriental Yuhong North American LLC unterstützt. Für die Lacke haben die Forscher ein US-Patent angemeldet.

Mark Golden, Precourt Institute for Energy: (650) 724-1629; [email protected]

Bridget Ballesteros, Öffentlichkeitsarbeit der Universität: (925) 759-4805; [email protected]

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