Kwantumsprong in raamtechnologie levert dramatische energiebesparingen op

Onderzoekers van de Universiteit van Notre Dame hebben een nieuwe raamcoating ontwikkeld om warmteproducerend ultraviolet en infrarood licht te blokkeren en zichtbaar licht door te laten, ongeacht de hoek van de zon. Credit: Universiteit van Notre Dame

Een nieuwe raamcoating verlaagt de binnentemperaturen en energiekosten door selectief warmteproducerend licht te blokkeren, effectief bij elke zonlicht hoek.

Ramen laten licht binnen in interieurruimtes, maar ze brengen ook ongewenste warmte met zich mee. Een nieuwe raamcoating blokkeert warmteproducerend ultraviolet en infrarood licht en laat zichtbaar licht door, ongeacht de hoek van de zon. De coating kan worden geïntegreerd op bestaande ramen of auto's en kan de kosten voor airconditioningkoeling met meer dan een derde verminderen in warme klimaten.

"De hoek tussen de zonnestralen en je raam verandert altijd," zei Tengfei Luo, de Dorini Family Professor voor Energy Studies aan de Universiteit van Notre Dame en de leider van de studie. "Onze coating behoudt functionaliteit en efficiëntie ongeacht de positie van de zon aan de hemel."

Raamcoatings die in veel recente studies worden gebruikt, zijn geoptimaliseerd voor licht dat een kamer binnenkomt onder een hoek van 90 graden. Maar op het middaguur, vaak het heetste moment van de dag, komen de zonnestralen verticaal geïnstalleerde ramen binnen onder schuine hoeken.

Luo en zijn postdoctorale medewerker Seongmin Kim maakten eerder een transparante raamcoating door ultradunne lagen van silicium, alumina en titaniumoxide op een glazen basis te stapelen. Een micrometer-dikke siliconen polymeer werd toegevoegd om de koelkracht van de structuur te vergroten door thermische straling te reflecteren door het atmosferische raam en naar de buitenruimte.

Extra optimalisatie van de volgorde van de lagen was nodig om ervoor te zorgen dat de coating meerdere hoeken van zonlicht zou kunnen opvangen. Een trial-and-error benadering was echter niet praktisch, gezien het immense aantal mogelijke combinaties, zei Luo.

Om de lagen in een optimale configuratie te schuiven - één die de doorgang van zichtbaar licht maximaliseerde terwijl de doorgang van warmteproducerende golflengtes werd geminimaliseerd - gebruikte het team quantumcomputing, of meer specifiek, quantum annealing, en valideerden ze hun resultaten experimenteel.

Hun model produceerde een coating die zowel transparantie behield als de temperatuur met 5,4 tot 7,2 graden Celsius (9,7 tot 13 graden Fahrenheit) verlaagde in een modelkamer, zelfs wanneer licht werd getransmiteerd in een breed scala van hoeken. De resultaten van het lab werden onlangs gepubliceerd in Cell Reports Physical Science.

"Net als gepolariseerde zonnebrillen, vermindert onze coating de intensiteit van het binnenkomende licht, maar, in tegenstelling tot zonnebrillen, blijft onze coating helder en effectief, zelfs als je hem onder verschillende hoeken kantelt," zei Luo.

Het actieve leer- en quantumcomputingschema dat is ontwikkeld om deze coating te creëren, kan worden gebruikt om een breed scala aan materialen met complexe eigenschappen te ontwerpen.

Referentie: "Wide-angle spectral filter for energy-saving windows designed by quantum annealing-enhanced active learning" door Seongmin Kim, Serang Jung, Alexandria Bobbitt, Eungkyu Lee en Tengfei Luo, 4 maart 2024, Cell Reports Physical Science. DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101847