Anwendungen
10. Dezember 2022

Wirkungsweise von passiver Kühlung - Reflexion und Emission als Schlüsselfaktoren

Erläuterungen zur Wirkungsweise von Materialien zur energieneutralen, also passiven Kühlung. Materialinnovationen ermöglichen hohen Hitzeschutz ohne Energieverbrauch.
Reflexion und Strahlungskühlung (IR-Emission)

Dass eine hohe Reflexionsfähigkeit eines Materials davor schützt, dass sich das Material stark erwärmt, ist bekannt. Weniger bekannt hingegen ist, dass es einen anderen physikalischen Mechanismus gibt, der vorhandene Wärme aus einem Material ableiten kann - und zwar ohne, dass für diesen Kühlprozess Energie zugeführt werden muss.

Strahlungskühlung ist der natürliche Prozess, durch den Objekte Wärme in Form von Infrarotstrahlung abgeben. Alle Materialien strahlen bei Raumtemperatur Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 5-15 μm ab. Dieser Prozess ist jedoch in der Regel nicht sehr effizient, da er durch äußere Einflüsse, die das Objekt erwärmen, wie Sonnenlicht und Luftströmungen, konterkariert wird. Luft hingegen absorbiert und emittiert nur sehr wenig Strahlung mit Wellenlängen von 8-13 μm. Die Erde nutzt dies und kühlt sich nachts ab, indem sie Infrarotstrahlung durch dieses "atmosphärische Fenster" in den Weltraum abstrahlt.

Seit längerem sind Forscher daher an technischen Materialien interessiert, die diesen natürlichen Prozess verstärken und Objekte auch tagsüber dazu bringen können, Infrarotstrahlung effizient durch das atmosphärische Fenster zu emittieren. Denn diese Materialien sind eine einfache Möglichkeit zur Kühlung von Gebäuden und wärmeerzeugenden Technologien, ohne dass stromfressende aktive Kühlung benötigt wird.

Ein erfolgreicher Weg bei der Herstellung solcher Materialien ist die Einbindung von winzigen Glas- bzw. Glaskeramik-Kügelchen in das Material. Was für Außenstehende wie ein Wunder wirkt, war jahrelang physikalische Realität bei insgesamt 135 Spaceshuttle-Missionen. Ein Hitzeschild aus nur wenigen Zentimeter dicken Keramikkacheln hielt beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre über 1.000°Celsius aus und schützte so das Spaceshuttle und seine Besatzung. Das Geheimnis dazu liegt in speziell dafür entwickelten Glaskeramik-Hohlkörperchen, welche ein Vakuum einschließen. Und diese Fähigkeit machten sich die Forscher später für weitere Materialien zu Nutze.

Die Produkte, die auf dieser Basis hergestellt werden, sind rund um die Uhr in der Lage, vorhandenes Sonnenlicht in hohem Maß zu reflektieren und Infrarotstrahlung ebenfalls in hohem Maß zu emittieren. Die Materialien bewahren also nicht nur vor Aufheizen durch Sonneneinstrahlung, sondern wirken auch durch passive Strahlungskühlung, um Wärme von dem Objekt abzuleiten, das sie bedecken. Das heißt, sie sind nicht nur ein Schutz vor ankommender Sonnenwärme, sondern sie haben eine echte Kühlleistung. 
 

Vgl. z.B. https://physicsworld.com/a/new-metamaterial-enhances-natural-cooling-without-power-input/ 

 

Erläuterungen zu den Messgrößen, die die Hitzeschutz- bzw. Kühlleistung eines Materials klassifizieren

TSR

Total Solar Reflectance (Gesamtsonnenreflexion): Der TSR-Wert beschreibt den solaren Reflexionsgrad einer pigmentierten Oberfläche. Er gibt an, wie hoch der Anteil der reflektierten Wärme (Energie der Sonnenstrahlung) ist.

Je höher der TSR-Wert, desto mehr wird reflektiert, desto weniger wird absorbiert, desto weniger erwärmt die Oberfläche. Asphalt und Bitumen (schwarz) wird stark erwärmt. Schnee (weiß) schmilzt nicht in der der Sonne, weil er reflektiert.

THE

Total Hemispherical Emittance (IR-Emissionsgrad): Der Wirkungsgrad, mit dem sich eine Oberfläche durch die Abgabe von Wärmestrahlung selbst kühlt, gemessen auf einer Skala von 0 bis 1 (oder 0-100 %), wobei ein Wert von 1 eine perfekte Emission anzeigt (d. h. gleich der eines schwarzen Hohlkörpers). Vgl. https://heatisland.lbl.gov/glossary

SRI

Solar Reflectance Index (Sonnenreflexionsindex): Der SRI ist eine Kennzahl zum Vergleich der Kühle von Dachflächen. Je höher der SRI, desto kühler ist das Dach bei Sonneneinstrahlung. Ein sauberes schwarzes Dach hat zum Beispiel einen SRI von 0, während ein sauberes weißes Dach einen SRI von 100 hat. Durch Materialinnovationen ist es gelungen, SRI-Werte von deutlich über 100 zu erreichen. Vgl. https://heatisland.lbl.gov/glossary

Der SRI wird nach einer festgelegten Formel aus TSR und THE berechnet. Eine praktische Berechnung ist beispielsweise mit dem SRI-Rechner des Lawrence Berkeley National Laboratory möglich (veröffentlicht am: 13 Jan 2014). Vgl. https://www.usgbc.org/resources/lawrence-berkeley-national-laboratory-sri-calculator

 

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