Kunnen ‘koelverven’ en 'koelcoatings' het milieu redden?

Een ramp voor de planeet

Voordat de wetten van de thermodynamica werden bedacht, waren er geen berekeningen nodig om te weten dat gebouwen in warme, zonnige gebieden wit moesten worden geverfd om de binnentemperatuur te verlagen. Uiteindelijk bracht de uitvinding van airconditioning in de 20e eeuw de definitieve oplossing voor het koelen van gebouwen. Een uitvinding die vandaag ter discussie staat. Volgens het Internationaal Energieagentschap zijn airconditioning- en ventilatieapparatuur tegenwoordig immers goed voor 10% tot 13% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik en zijn koeltechnologieën verantwoordelijk voor 11% van de jaarlijkse uitstoot van broeikasgassen. Volgens volgens het Milieuprogramma van de Verenigde Naties wordt dat echter "een ramp voor de planeet". Om deze vraag te verminderen, werken onderzoekers aan duurzamere systemen, waarvan sommige teruggrijpen op het traditionele concept van het schilderen of bedekken van gebouwen - een eeuwenoud idee, maar dan met technologieën van de 21e eeuw.

Passieve radiatieve koeloplossingen

Het probleem met airconditioning is niet alleen dat de productie van de energie om het aan te drijven broeikasgassen uitstoot, maar ook dat, in tegenstelling tot passieve zonneverwarming, het koelen van gebouwen tot onder de omgevingstemperatuur warmte genereert die naar buiten moet worden afgevoerd en dat draagt dan weer bij aan de opwarming van de aarde. Omdat dit geen goede oplossingop lange(re) termijn is, zoeken wetenschappers hun heil in ‘passieve radiatieve koeloplossingen’. Passief betekent dat ze geen energie verbruiken, radiatief staat voor het afgeven van infraroodstraling. Met andere woorden: de onderzoeken concentreren zich op het idee dat warmte van de aarde ontsnapt zonder de lucht op te warmen.

Net zo belangrijk is dat deze oplossingen geschikt zijn voor commercieel gebruik en tegen betaalbare kosten

Bedekkende materialen

Stralingskoeling is 's nachts relatief eenvoudig te realiseren. Daarom ontwikkelen onderzoekers momenteel zonnepanelen die elektriciteit kunnen opwekken nadat de zon is ondergegaan. Het is echter ingewikkelder om dit op klaarlichte dag te doen, wanneer het zonlicht de materialen opwarmt. Tot een paar jaar geleden werd dat doel zelfs als onbereikbaar beschouwd. Het werd voor het eerst concreet in 2014, toen een team van de Stanford University het ontwerp publiceerde van een bedekkingsmateriaal, gemaakt van lagen siliciumdioxide en hafniumdioxide, dat 97% van het zonlicht reflecteert en de temperatuur verlaagt tot 5°C onder de temperatuur van de omgevingslucht. Daarbij wordt voornamelijk infrarode straling uitgezonden die niet in de atmosfeer wordt vastgehouden. Het jaar daarop produceerden onderzoekers van de University of Technology in Sydney een combinatie van polymeren met een dunne zilverlaag die bijna 100% van het licht in de volle zomerzon reflecteert en 3°C lager en 11°C koeler blijft dan een nabijgelegen witgeschilderd dak.

Polymeercoatings

Latere onderzoeken hebben geprobeerd om de technische kwaliteiten van deze oplossingen te verbeteren. Aan de Universiteit van Colorado creëerde een groep materiaalwetenschappers in 2017 een doorschijnend en flexibel plastic vel met daarin kleine glazen bolletjes die infrarode straling reflecteren voor een betere warmteafvoer. Het resultaat is een materiaal dat de temperatuur met 10 °C verlaagt, waarbij de theoretische limiet van radiatieve koeling overdag wordt benaderd. Net zo belangrijk is dat deze oplossingen geschikt zijn voor commercieel gebruik en tegen betaalbare kosten. Het werk aan deze materialen is daarom gericht op het bereiken van hoge prestatienormen tegen een aanvaardbare prijs. Polymeercoatings, want daar gaat het meestal over, kunnen worden vervaardigd met gangbare technologieën zoals gieten, extrusie en 3D-printen, en maken gebruik van toegankelijke en duurzame materialen.

Koelverven

Naast diverse bedekkingen wordt ook steeds meer onderzoek gedaan naar verven die rechtstreeks op daken en gevels kunnen worden aangebracht. In 2020 ontwikkelden onderzoekers van de Purdue University in Indiana, VS een acrylverf met een calciumcarbonaatvuller die 95% van het zonlicht reflecteert - normale witte verven reflecteren ongeveer 80% - en de temperatuur met bijna 2 °C verlaagt. Hoewel de prestaties van de verf achterblijven bij die van polymeercoatings, is het grote voordeel dat dit systeem (volgens de auteurs van de studie) "ongekende voordelen biedt van de handige verfvorm, lage kosten en compatibiliteit met commerciële verfproductieprocessen".

Binnen de mogelijkheden van de industrie

Een team van de University of California, Los Angeles heeft dan weer een witte verf gemaakt die 98% van de zonnestraling reflecteert. Om dit te bereiken vervingen de onderzoekers het klassieke titaniumoxide (dat het nadeel heeft dat het te veel ultraviolette straling absorbeert) door andere verbindingen zoals bariet-bariumsulfaat (dat door kunstenaars wordt gebruikt) of teflon (de coating die in anti-aanbakpannen wordt gebruikt). Volgens de hoofdauteur van het onderzoek ligt het modificeren van producten die we in elke winkel kunnen kopen "binnen de mogelijkheden van de verf- en coatingindustrie". Met behulp van bariumsulfaat nanodeeltjes heeft ook het team van de Purdue University een verbeterde formule ontwikkeld die 98% van het zonlicht reflecteert en kan worden aangebracht in een laagje dat dun genoeg is voor gebruik op voertuigen zoals vliegtuigen, treinen en auto's.

Ultrawitte nanocomposieten

De verf in het recente (2023) onderzoek in India waarvan sprake in de inleiding, is ontwikkeld op basis van een magnesiumoxide (MgO)-polyvinylideenfluoride (PVDF) polymeer, en dat heeft volgens de makers ‘een aanzienlijk koelend vermogen met een hoge zonnereflectie en infrarode thermische emissiviteit’. Uit het experiment is ook gebleken dat de oppervlaktetemperatuur van een behandeld oppervlak met ongeveer 10 °C daalt onder intens zonlicht, wat bijna het dubbele is van de vermindering die traditionele witte verven bieden. De wetenschappers ontwikkelden de verf door gebruik te maken van een techniek met ultrawitte en ultra-emissieve MgO-PVDF nanocomposieten, bereid uit materialen die overvloedig aanwezig, goedkoop, niet giftig en niet schadelijk zijn.

Kleurrijke oplossingen

De meeste oplossingen hebben echter een witte of (zilver)grijze kleur, maar het is niet altijd wenselijk om oppervlakken wit te verven. Wetenschappers van Columbia University hebben daarom een coating ontworpen met twee lagen waarvan de bovenste laag kan worden aangepast om verschillende golflengten van zichtbaar licht te absorberen, zodat de gewenste kleur zichtbaar wordt. Dit materiaal genereert een koelend effect dat tussen de 3 °C en 15 °C lager is dan dat van conventionele verf met dezelfde kleur. Volgens de auteurs is het een "eenvoudige, goedkope en schaalbare" oplossing.

In augustus dit jaar werd een nieuw soort verf ontwikkeld door de Universiteit van Stanford die gebouwen koeler kan houden in de zomer, maar ook warmer in de winter. De nieuwe kleurrijke verven bleken in staat om het energieverbruik met ongeveer 36% te verminderen in kunstmatige koele omstandigheden en met bijna 21% in kunstmatige warme omstandigheden. Bij simulaties van een doorsnee flatgebouw met de nieuwe verf op buitenmuren en daken daalde het totale energieverbruik met 7,4% in een jaar.

Warmte binnenhouden

De nieuwe verf heeft twee lagen die afzonderlijk worden aangebracht, waaronder een infraroodreflecterende onderlaag met aluminiumvlokken, en een ultradunne, infraroodtransparante bovenlaag met anorganische nanodeeltjes die verkrijgbaar is in een breed kleurengamma. De verf kan worden aangebracht op buitenmuren en daken, waardoor het meeste infrarode licht van de zon door de gekleurde laag van de verf heen gaat, weerkaatst tegen de onderlaag en weer naar buiten gaat als licht in plaats van geabsorbeerd te worden als warmte. Als alternatief, om warmte binnen te houden, zou de verf op binnenmuren worden aangebracht waar het de infrarode golven zou reflecteren. Het onderzoeksteam testte hun verf in wit, blauw, rood, geel, groen, oranje, paars en donkergrijs. Ze waren, aldus de Universiteit van Stanford, “tien keer beter dan conventionele verven in dezelfde kleuren in het reflecteren van hoog midden-infrarood licht.”

Deze technologieën zijn veelbelovend in warme klimaten, maar misschien niet geschikt in de context van een zeer variabel klimaat of een gebouw waar veel verwarming nodig is tijdens het winterseizoen

Kan het ook bij ons?

Al deze onderzoeken openen een veelbelovend pad voor duurzame koeling. Deze overwegingen zullen dan ook een normaler onderdeel van het ontwerp van gebouwen worden. Volgens Aurore Julien, milieu-expert aan de University of East London, zijn deze technologieën weliswaar veelbelovend in warme klimaten, maar “misschien niet geschikt in de context van een zeer variabel klimaat of een gebouw waar veel verwarming nodig is tijdens het winterseizoen”. En aangezien de meerderheid van de wereldbevolking in gematigde streken woont, “kan het moeilijk zijn om een evenwicht te vinden tussen de voordelen van passieve koeling en de vraag naar verwarming”.

Voor zulke gevallen denkt Julien dat het nodig is om deze systemen te combineren met andere oplossingen. "De dynamische systemen, zoals bijvoorbeeld de systemen die gebruik maken van een combinatie van verdampingskoeling en radiatieve koeling door 's nachts water op het dak te sproeien, zijn meer geschikt voor klimaten die in de winter ook veel verwarming nodig hebben."

Verdere ontwikkeling en experimenten zullen volgens haar nodig zijn om “het nut van deze innovaties en hun optimalisatie voor verschillende klimaatomstandigheden te bepalen”.

Bronnen: OpenMind / PaintSquare / Ministry of Science & Technology, India / University of Stanford, CA /  Purdue University, Indiana