Quantensprung in der Fenstertechnologie bringt dramatische Energieeinsparungen

Wissenschaftler an der Universität von Notre Dame haben eine neue Fensterbeschichtung entwickelt, die wärmeerzeugendes ultraviolettes und infrarotes Licht blockiert und für sichtbares Licht offen ist, unabhängig vom Winkel der Sonne. Bildnachweis: Universität von Notre Dame.

Eine neue Fensterbeschichtung reduziert Innentemperaturen und Energiekosten, indem sie wärmeerzeugendes Licht selektiv blockiert. Sie ist bei jedem Sonnenstand wirksam.

Fenster lassen Licht in Innenräume eindringen, aber auch unerwünschte Wärme. Eine neue Fensterbeschichtung blockiert wärmeerzeugendes ultraviolettes und infrarotes Licht und lässt sichtbares Licht durch, unabhängig vom Winkel der Sonne. Die Beschichtung kann auf vorhandene Fenster oder Automobile aufgebracht werden und kann die Kühlkosten für Klimaanlagen in heißen Klimazonen um mehr als ein Drittel reduzieren.

"Der Winkel zwischen der Sonne und Ihrem Fenster ändert sich ständig", sagte Tengfei Luo, der Dorini-Familienprofessor für Energieforschung an der Universität von Notre Dame und der Leiter der Studie. "Unsere Beschichtung behält ihre Funktionalität und Effizienz bei, egal wo sich die Sonne am Himmel befindet."

Fensterbeschichtungen, die in vielen aktuellen Studien verwendet werden, sind optimiert für Licht, das in einem 90-Grad-Winkel in einen Raum eintritt. Doch zur Mittagszeit, oft die heißeste Zeit des Tages, treten die Sonnenstrahlen in senkrecht eingebaute Fenster unter schrägen Winkeln ein.

Luo und sein Postdoktorand Seongmin Kim haben zuvor eine transparente Fensterbeschichtung hergestellt, indem sie hauchdünne Schichten aus Silizium, Aluminium und Titanoxid auf eine Glasbasis aufbrachten. Ein mikrometerdicker Silizium-Polymer wurde hinzugefügt, um die Kühlleistung der Struktur zu erhöhen, indem er die thermische Strahlung durch das atmosphärische Fenster und in den Weltraum reflektiert.

Weitere Optimierung der Reihenfolge der Schichten war notwendig, um sicherzustellen, dass die Beschichtung mehrere Winkel des Sonnenlichts bewältigen kann. Ein Versuch-und-Irrtum-Ansatz war jedoch nicht praktikabel, angesichts der immensen Anzahl möglicher Kombinationen, sagte Luo.

Um die Schichten in eine optimale Konfiguration zu bringen - eine, die die Übertragung von sichtbarem Licht maximiert, während sie die Durchlässigkeit von wärmeerzeugenden Wellenlängen minimiert - nutzte das Team Quantencomputing, genauer gesagt, Quanten-Annealing, und überprüfte ihre Ergebnisse experimentell.

Ihr Modell erzeugte eine Beschichtung, die sowohl Transparenz beibehielt, als auch die Temperatur um 5,4 bis 7,2 Grad Celsius (9,7 bis 13 Grad Fahrenheit) in einem Modellraum senkte, selbst wenn das Licht unter einem weiten Bereich von Winkeln übertragen wurde. Die Ergebnisse des Labors wurden kürzlich in den Cell Reports Physical Science veröffentlicht.

"Ähnlich wie polarisierte Sonnenbrillen verringert unsere Beschichtung die Intensität des einfallenden Lichts, aber im Gegensatz zu Sonnenbrillen bleibt unsere Beschichtung klar und wirksam, auch wenn man sie in verschiedenen Winkeln neigt", sagte Luo.

Die zur Erstellung dieser Beschichtung entwickelte Methode des aktiven Lernens und Quantencomputings kann verwendet werden, um eine breite Palette von Materialien mit komplexen Eigenschaften zu entwerfen.

Referenz: „Weitwinkelspektralfilter für energiesparende Fenster, entworfen durch Quanten-Annealing-verbessertes aktives Lernen“ von Seongmin Kim, Serang Jung, Alexandria Bobbitt, Eungkyu Lee und Tengfei Luo, 4. März 2024, Cell Reports Physical Science. DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101847