Strahlungsbasierte Kühlung bekämpft den Klimawandel, indem sie den Weltraum als Wärmesenke nutzt

Mit der Ausdehnung und Verdichtung der Städte nehmen Beton- und Asphaltflächen zu. Gebäude und Straßen nehmen Wärme auf, erwärmen dadurch ihre Umgebung und erhöhen den Bedarf an Klimatisierung. Die Emissionen hängen auch von der Energiequelle ab. Deshalb hat ein Forschungsteam der University of Maryland eine Lösung entwickelt: eine 2023 vorgestellte mikroporöse Beschichtung namens Kühlglas, die Strahlungskühlung nutzt. Gemeint ist eine glashaltige Beschichtung, kein gewöhnliches durchsichtiges Fensterglas.

Ein Fortschritt bei der Strahlungskühlung

Zum Klimaschutz gehört auch, die erzeugte Elektrizität effizienter zu nutzen. Das Kühlglas kombiniert zwei Mechanismen: eine hohe Albedo, die einen großen Teil der Sonnenstrahlung reflektiert, und die Abgabe von Wärme als Infrarotstrahlung ins All in Wellenlängenbereichen, für die die Atmosphäre relativ durchlässig ist. Reflektiertes Sonnenlicht und ausgesandte Wärmestrahlung sind verschiedene Vorgänge. Der kosmische Hintergrund bei etwa −270 °C dient als kalte Referenz; ein Vakuum transportiert Wärme nicht durch Konvektion ab.

In ihrem Fachartikel beschreiben die Autoren das Material so:

„Ein ungeordneter photonischer Verbundwerkstoff aus einem mikroporösen Glasgerüst mit selektiver Emission langwelliger Infrarotstrahlung und relativ hoher Sonnenreflexion sowie Aluminiumoxidpartikeln, die das Sonnenlicht stark streuen und die Verdichtung der porösen Struktur während der Herstellung verhindern.“

Die Beschichtung zeigte unter verschiedenen Bedingungen gute Ergebnisse. Das Herstellungsverfahren könnte sich für einen größeren Maßstab eignen; 2023 arbeiteten die Forschenden jedoch weiter an zusätzlichen Tests und praktischen Anwendungen.

Quelle: www.cera.cool

Zur Leistung heißt es in der Zusammenfassung der Studie:

„Diese mikroporöse Glasbeschichtung ermöglicht eine Temperatursenkung von etwa 3,5 °C zur Mittagszeit und 4 °C in der Nacht, selbst in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit von bis zu 80 Prozent.“

Die detaillierten Messungen präzisieren die Bedingungen: Mittags lag die Beschichtung bei 30 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit etwa 3,5 °C unter der 30 °C warmen Umgebungsluft. Nachts lag sie bei bis zu 80 Prozent Luftfeuchtigkeit etwa 4 °C unter der Lufttemperatur von 17,5 °C. Simulationen von Dächern mittelhoher Mehrfamilienhäuser deuteten auf eine mögliche Verringerung der jährlichen kühlungsbedingten Kohlendioxidemissionen um ungefähr 10 Prozent hin. Das war keine allgemein gemessene Verringerung sämtlicher Gebäudeemissionen.

Strahlungskühlung ist nicht neu. Interessant ist hier die Kombination aus Leistung, Beständigkeit gegenüber Außenbedingungen und der Möglichkeit, das Material in größerem Maßstab herzustellen.

Was ist ein Kühlkörper?

Ein Kühlkörper nimmt Wärme von einem anderen Gegenstand auf und gibt sie an die Umgebung ab. In elektronischen und mechanischen Systemen wirkt er Überhitzung entgegen. Der Kontakt mit einem heißen Bauteil führt in der Regel zu Wärmeleitung; die Übertragung an die Umgebung kann durch Konvektion und Strahlung erfolgen. Das hier beschriebene Kühlglas gibt Energie als Infrarotstrahlung in Richtung Himmel und Weltraum ab.

Die wichtigsten Vorgänge und Eigenschaften eines Kühlkörpers sind folgende:

Wärmeleitung: Wärme wird durch ein Material übertragen. Ein heißes Bauteil, etwa ein Prozessor, gibt Wärme an den Kühlkörper ab, mit dem es in Kontakt steht.

Material: Aluminium und Kupfer sind verbreitet, weil sie Wärme gut leiten. Sie führen sie vom Bauteil weg und verteilen sie über eine größere Fläche.

Gestaltung und Oberfläche: Rippen und andere Strukturen vergrößern die Fläche für den Wärmeaustausch. So kann mehr Luft mit dem Kühlkörper in Kontakt kommen, was die Wärmeabgabe verbessert.

Konvektion: Luft oder Flüssigkeit, die über die Oberfläche strömt, führt Wärme ab. Passive Kühlung nutzt unter anderem natürliche Luftzirkulation; Lüfter und Pumpen können die Übertragung in aktiven Systemen verstärken.

Strahlung: Der Kühlkörper gibt auch Energie als Infrarotstrahlung ab, was ebenfalls zur Kühlung beiträgt.

Die Wirksamkeit hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Materials, der Gestaltung und Oberfläche, der Umgebungstemperatur sowie dem Luft- oder Flüssigkeitsstrom ab. Gutes Wärmemanagement trägt zur Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer und mechanischer Systeme bei.

Was ist Strahlungskühlung?

Strahlungskühlung ist ein natürlicher Vorgang, bei dem ein Gegenstand durch das Aussenden von Strahlung Energie verliert, bei erdnahen Temperaturen meist als Infrarotstrahlung. Sie gehört zur Energiebilanz der Erde und lässt sich in verschiedenen Technologien nutzen.

Die physikalischen Grundlagen umfassen folgende Punkte:

Infrarotstrahlung: Gegenstände senden elektromagnetische Strahlung aus, deren Spektrum und Intensität von der Temperatur abhängen. Bei üblichen Temperaturen an der Erdoberfläche liegt sie hauptsächlich im Infrarotbereich. Ein Gegenstand kühlt ab, wenn die Energieverluste die Zufuhr übersteigen, wobei auch andere Formen des Wärmeaustauschs zu berücksichtigen sind.

Abstrahlung ins All: Einige infrarote Wellenlängenbereiche durchdringen die Atmosphäre relativ gut, darunter das Fenster bei etwa 8–13 Mikrometern. Eine geeignete Oberfläche kann darüber Wärme ins All abgeben. Luftfeuchtigkeit, Wolken und andere Umgebungsbedingungen beeinflussen das Ergebnis.

Kühlung am Tag und in der Nacht: Ohne Sonne lässt sich leichter eine Temperatur unter der Umgebungsluft erreichen. Tagsüber wirkt aufgenommene Sonnenenergie der Kühlung entgegen. Ein stark reflektierendes und geeignet gestaltetes Material kann dennoch auch am Tag Strahlungskühlung ermöglichen, wie die vorliegende Studie zeigt.

Zusammenhang mit der Albedo: Die Albedo beschreibt den reflektierten Anteil der Sonnenstrahlung, nicht nur des sichtbaren Lichts. Eine hohe Albedo verringert die Aufnahme von Sonnenenergie. Strahlungskühlung betrifft dagegen die Abgabe von Wärmestrahlung. Die Eigenschaften ergänzen sich; eine dunkle Oberfläche kann Infrarotstrahlung abgeben und trotzdem heiß sein, weil sie mehr Sonnenlicht aufnimmt.

Anwendungen: Strahlungskühlung wird für Gebäude, Fahrzeuge und technische Anlagen untersucht. Je nach Gestaltung und Bedingungen kann sie den Strombedarf der Klimatisierung senken oder bestehende Kühlsysteme effizienter machen.

Die Reflexion von Sonnenlicht und die Abgabe von Infrarotstrahlung sind also verschiedene Vorgänge, die gemeinsam die Wärmebilanz natürlicher und konstruierter Oberflächen beeinflussen.

Branchenakteure im Kampf gegen den Klimawandel

Die folgenden börsennotierten Unternehmen liefern Energie- oder Mobilitätstechnologien. Sie werden nicht als Hersteller des Kühlglases aus dieser Studie vorgestellt.

Die Tabellen bewahren die historischen Zahlen aus dem Artikel vom November 2023, keine verifizierten aktuellen Marktdaten. Der Gewinn je Aktie kann die damalige Aktienstruktur widerspiegeln. Ein negatives KGV ist für ein verlustbringendes Unternehmen kein sinnvoller Bewertungsmultiplikator. Eingebettete Grafiken und Kurse können neuere Angaben zeigen.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Preisdiagramm

FuelCell Energy (FCEL ) entwickelt, produziert, betreibt und wartet Brennstoffzellenkraftwerke. Die elektrochemische Umwandlung kann den Wirkungsgrad verbessern und manche Schadstoffe gegenüber vergleichbaren Verbrennungstechnologien verringern. Die Anlagen können jedoch Erdgas, Biogas oder andere Brennstoffe nutzen und sind nicht automatisch fossilfrei oder frei von Kohlendioxidemissionen. Der Klimanutzen hängt vom Brennstoff, vom Wirkungsgrad und einer möglichen Nutzung der Abwärme ab.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Preisdiagramm

Brookfield Renewable Partners (BEP ) betreibt ein großes Portfolio aus Wasserkraft-, Windkraft-, Solar- und Speicheranlagen in Nord- und Südamerika, Europa und Asien. Die Anteile werden auch in Toronto gehandelt (BEP.UN.TO ). Brookfield Renewable Corporation (BEPC ) ist eine getrennte Gesellschaftsstruktur, deren umtauschbare Aktien ein wirtschaftlich gleichwertiges Engagement wie die Partnerschaftsanteile ermöglichen sollen. Rechtlich handelt es sich um unterschiedliche Wertpapiergattungen. Die Gruppe setzt auf langfristige Wertschöpfung mit erneuerbaren Energieanlagen.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Preisdiagramm

ChargePoint Holdings (CHPT ) bietet Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, Softwaredienste und Unterstützung an. Die Lösungen werden unter anderem in Wohngebäuden, Unternehmen, Fahrzeugflotten und öffentlichen Bereichen eingesetzt. Indem sie elektrischen Verkehr erleichtern, können sie die Abhängigkeit von erdölbasierten Kraftstoffen verringern. Die Emissionswirkung hängt auch von der Stromerzeugung und den Fahrzeugen ab.

Weitere Unternehmen, die Strahlungskühlung entwickeln

Das nicht börsennotierte CeraCool arbeitet an der praktischen Nutzung und Produktionsausweitung der Strahlungskühlung. Gegründet wurde es von Forschern hinter dem in der Studie vorgestellten Kühlglas.

CeraCool  entwickelte eine Farbe, die Sonnenlicht reflektiert und infrarote Wärme abgibt. Das Unternehmen beschreibt dies als Kühlung ohne eigenen Stromverbrauch der Beschichtung, indem sie über 95 Prozent der Sonnenstrahlung reflektiert und gleichzeitig Wärme durch das atmosphärische Transparenzfenster ins All abgibt. Das bedeutet nicht, dass die Farbe unter allen Bedingungen sämtliche Klimatisierung ersetzt. Laut Unternehmen lässt sie sich auf heiß werdende Flächen wie Dächer und bestimmte Straßenoberflächen sprühen oder streichen.

SkyCool Systems ist ein weiteres Privatunternehmen, das an Strahlungskühlung arbeitet.

SkyCool Systems entwickelt Kühllösungen mit stark reflektierenden Materialien, die Infrarotstrahlung abgeben. Die Paneele können unter anderem die Effizienz von Dampfkompressionskühlsystemen verbessern. Die angestrebten Energie- und Umweltvorteile hängen in ihrer Größenordnung von Installation und Betriebsbedingungen ab.

Abschließende Gedanken

Klimaschutz muss neben nachhaltigen Energiequellen auch ineffiziente Energienutzung verringern. Strahlungskühlung kann dazu beitragen. In einem TED-Vortrag erörtert Aaswath Raman den möglichen Rückkopplungskreislauf aus steigenden Temperaturen, wachsendem Klimatisierungsbedarf und den damit verbundenen Emissionen sowie die Frage, wie Strahlungskühlung ihn begrenzen kann.

Zusammen mit anderen Fortschritten wie mikrometergroßen Photovoltaikzellen mit rückseitigen Kontakten können Initiativen von Unternehmen wie CeraCool in den Jahren nach dem Artikel Vorteile bringen. Das Ergebnis hängt von der Produktionsausweitung und der praktischen Leistung ab.