Kvantumsprång inom fönsterteknik levererar dramatiska energibesparingar

Forskare vid University of Notre Dame har utvecklat en ny fönsterbeläggning för att blockera värmealstrande ultraviolett och infrarött ljus och tillåta synligt ljus, oavsett solens vinkel. Kredit: University of Notre Dame

En ny fönsterbeläggning minskar inomhustemperaturer och energikostnader genom att selektivt blockera värmealstrande ljus, effektiva vid alla solvinklar.

Fönster välkomnar ljus i interiörutrymmen, men de tar också in oönskad värme. En ny fönsterbeläggning blockerar värmealstrande ultraviolett och infrarött ljus och släpper igenom synligt ljus, oavsett solens vinkel. Beläggningen kan införlivas på befintliga fönster eller bilar och kan minska kostnaderna för luftkonditioneringskylning med mer än en tredjedel i varma klimat.

“Vinkeln mellan solskenet och ditt fönster ändras alltid,” sa Tengfei Luo, Dorini Family professor för energistudier vid University of Notre Dame och ledaren för studien. “Vår beläggning bibehåller funktionalitet och effektivitet oavsett solens position på himlen.”

Fönsterbeläggningar som används i många nyligen studier är optimerade för ljus som kommer in i ett rum i en 90-graders vinkel. Men vid middagstid, ofta den varmaste tiden på dagen, kommer solens strålar in i vertikalt installerade fönster i sneda vinklar.

Luo och hans postdoktorala medarbetare Seongmin Kim skapade tidigare en transparent fönsterbeläggning genom att stapla ultratunna lager av kiseldioxid, aluminiumoxid och titandioxid på en glasbas. En mikrometer-tjock silikonpolymer lades till för att förstärka strukturens kylvärdighet genom att reflektera termisk strålning genom atmosfäriskt fönster och ut i yttre rymden.

Ytterligare optimering av lagrens ordning var nödvändig för att säkerställa att beläggningen skulle kunna hantera olika vinklar av solljus. Men ett försök-och-misslyckande sätt var inte praktiskt, med tanke på det enorma antalet möjliga kombinationer, sa Luo.

För att ändra lagren till en optimal konfiguration - en som maximerade överföringen av synligt ljus samtidigt som man minimerade passagen av värmealstrande våglängder - använde gruppen kvantdatorer, eller mer specifikt kvantinlärning, och validerade sina resultat experimentellt.

Deras modell producerade en beläggning som både behöll genomskinlighet och reducerade temperaturen med 5,4 till 7,2 grader Celsius (9,7 till 13 grader Fahrenheit) i ett modellrum, även när ljuset överfördes i ett brett spektrum av vinklar. Labbresultaten publicerades nyligen i Cell Reports Physical Science.

“Som polariserade solglasögon minskar vår beläggning intensiteten av inkommande ljus, men till skillnad från solglasögon är vår beläggning klar och effektiv även när du lutar den i olika vinklar,” sa Luo.

Den aktiva inlärning- och kvantdatorschemat som utvecklades för att skapa denna beläggning kan användas för att utforma en bred rad material med komplexa egenskaper.

Referens: “Wide-angle spectral filter for energy-saving windows designed by quantum annealing-enhanced active learning” av Seongmin Kim, Serang Jung, Alexandria Bobbitt, Eungkyu Lee och Tengfei Luo, 4 mars 2024, Cell Reports Physical Science. DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101847