Nieuwe raamcoating laat licht door, maar houdt warmte tegen

Aanpak

Ramen maken dat er licht binnenstroomt in binnenruimtes, maar brengen ook ongewenste warmte met zich mee. "De hoek tussen de zon en uw raam verandert altijd," zei Tengfei Luo, de Dorini Family Professor for Energy Studies aan de Universiteit van Notre Dame en de leider van het onderzoek. "Onze coating behoudt zijn functionaliteit en efficiëntie, ongeacht de positie van de zon aan de hemel."

Luo en postdoctoraal medewerker Seongmin Kim maakten eerst een transparante raamcoating door ultradunne lagen siliciumdioxide, aluminiumoxide en titaniumoxide op een glazen basis te stapelen. Om het koelvermogen van de structuur te vergroten werd daarop een micrometer dik siliciumpolymeer toegevoegd die de warmtestraling door het venster reflecteert. De volgorde van de lagen moest verder worden geoptimaliseerd om ervoor te zorgen dat de coating geschikt zou zijn voor meerdere hoeken van het zonlicht. “Een ‘trial-and-error’ aanpak was echter niet praktisch, gezien het immense aantal mogelijke combinaties”, aldus Luo.

Kwantumcomputing

Om de lagen in een optimale configuratie te plaatsen - één die de transmissie van zichtbaar licht maximaliseert en tegelijkertijd de doorgang van warmteproducerende golflengtes minimaliseert - gebruikte het team kwantumcomputing. Het model produceerde naar verluidt een coating die zowel doorzichtig bleef als de temperatuur met 5,4 tot 7,2 graden Celsius verlaagde in een modelkamer, zelfs wanneer het licht onder een groot aantal hoeken werd doorgelaten. "Net als een gepolariseerde zonnebril vermindert onze coating de intensiteit van het binnenkomende licht, maar in tegenstelling tot een zonnebril blijft de coating helder en effectief, dus ook als je hem onder verschillende hoeken kantelt," zei Luo.

Brede toepassing

Volgens de wetenschappers kan het actieve leer- en kwantumcomputersysteem dat ontwikkeld is om de coating te maken, gebruikt worden om een breed scala aan materialen met complexe eigenschappen te ontwerpen. De coating kan bijvoorbeeld op bestaande ramen of auto's worden aangebracht en kan de koelingskosten van airconditioning in warme klimaten met meer dan een derde verlagen.

Meerlagig vloeibaar systeem

Ook andere onderzoeksinstituten houden zich bezig met gelijksoortige studies met het oog op het verlagen van energiekosten. In februari 2023 werd gemeld dat een nieuw meerlagig vloeibaar systeem, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Toronto en geïnspireerd door de huid van bepaalde inktvissoorten, de energiekosten in gebouwen kan verlagen. Het team ontwikkelde een platform dat de golflengte, intensiteit en verspreiding van licht dat door ramen wordt doorgelaten, optimaliseert met behulp van microfluïdica. De prototypes bestaan uit vlakke kunststofplaten die doorboord zijn met een reeks millimeterdikke kanalen om vloeistoffen doorheen te pompen. Vervolgens kunnen er aangepaste pigmenten, deeltjes of andere moleculen in de vloeistoffen worden gemengd om te bepalen welk soort licht er doorheen komt en in welke richting het licht wordt verspreid. De vellen kunnen ook gecombineerd worden tot een meerlagige stapel met verschillende optische functies, zoals het regelen van de intensiteit, het filteren van de golflengte of het afstemmen van de verstrooiing van doorgelaten licht binnenshuis. Deze methode kan digitaal bestuurd worden door pompen om vloeistoffen aan elke laag toe te voegen of te verwijderen, waardoor de lichttransmissie binnen het systeem geoptimaliseerd wordt.

Gelaagde fotonische structuren

In november 2022, publiceerde een een groep onderzoekers een studie over een nieuwe transparante raamcoating in de vorm van een ‘transparante stralingskoeler’ (TRC) met behulp van geavanceerde computertechnologie en kunstmatige intelligentie. In de samenvatting van het onderzoek beschreven de onderzoekers dat de TRC ontwikkeld was op basis van gelaagde fotonische structuren. Door dunne lagen van gewone materialen zoals siliciumdioxide, siliciumnitride, aluminiumoxide of titaniumdioxide af te wisselen op een glazen basis met daarop een film van polydimethylsiloxaan, zeiden de onderzoekers dat ze in staat waren om een coatingontwerp te optimaliseren dat, na fabricage, de prestaties van conventioneel ontworpen TRC's overtrof. Bovendien schreef het team dat het resulterende coatingontwerp beter presteerde dan een van de beste commerciële warmteverminderende glazen op de markt.

Bron: University of Notre Dame / PaintSquare