Radiatieve koeling
Op een heldere nacht kan een autoruit bevriezen, ook als de lucht daarboven ruim boven het vriespunt blijft. Dat lijkt vreemd, maar het verklaart in essentie wat radiatieve koeling is: een oppervlak dat zijn warmte in de vorm van infraroodstraling rechtstreeks de ruimte in stuurt, en daardoor kouder wordt dan de lucht eromheen. De ruimte fungeert als een enorm koud "afvoerputje" van ongeveer min 270 graden Celsius, en op heldere nachten kan warmte daar via de atmosfeer relatief ongehinderd naartoe stralen.
Wat de laatste tien jaar veranderd is, is dat onderzoekers materialen hebben ontwikkeld die dit effect ook overdag, in volle zon, laten optreden. Zo'n oppervlak moet twee dingen tegelijk kunnen: vrijwel al het zonlicht terugkaatsen zodat het niet opwarmt, en tegelijk zeer efficiënt infrarode warmtestraling uitzenden om zichzelf af te koelen. Het resultaat is een dak, paneel of stof dat merkbaar kouder aanvoelt dan de omgevingslucht, zonder stroom, compressor of ventilator. Dat maakt radiatieve koeling interessant als aanvulling op airconditioning, juist nu hittegolven en energievraag voor koeling wereldwijd toenemen.
Wat is het precies?
Ieder voorwerp met een temperatuur boven het absolute nulpunt zendt warmtestraling uit, in de vorm van infrarood licht. Hoe warmer een object, hoe meer straling het uitzendt. Dat is de basis van radiatieve koeling: als een oppervlak meer warmte uitstraalt dan het opneemt, koelt het per saldo af.
De atmosfeer van de aarde is niet voor alle infraroodgolflengtes even doorzichtig. Waterdamp en kooldioxide absorberen het grootste deel van de infraroodstraling en sturen een flink deel daarvan terug naar de grond. Maar voor golflengtes tussen ongeveer 8 en 13 micrometer is de atmosfeer betrekkelijk transparant. Wetenschappers noemen dit venster het "atmosferisch venster". Straling die precies in dit golflengtegebied wordt uitgezonden, ontsnapt grotendeels door de atmosfeer heen en verdwijnt de koude ruimte in, zonder dat de lucht ertussen substantieel opwarmt.
Om overdag te koelen moet een materiaal dus twee eigenschappen combineren. Ten eerste moet het zichtbaar en nabij-infrarood zonlicht (waar de energie van de zon grotendeels in zit) sterk weerkaatsen, anders warmt het simpelweg op door directe zoninstraling. Ten tweede moet het juist in het atmosferisch venster, bij 8 tot 13 micrometer, heel efficiënt stralen. Materiaalkundigen ontwerpen daarvoor gelaagde structuren, ook wel fotonische metamaterialen genoemd: dunne lagen van bijvoorbeeld siliciumdioxide en hafniumoxide op een reflecterende laag zilver, waarvan de dikte en opbouw precies zijn afgestemd op deze twee eisen. Goedkopere varianten gebruiken een polymeerfilm met piepkleine glazen bolletjes op een zilveren onderlaag, of gewoon een zeer witte verf met bariumsulfaat-deeltjes die vrijwel al het zonlicht terugkaatsen en tegelijk goed uitstralen in het infrarood.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is energiebesparing. Koeling van gebouwen, met name airconditioning, is verantwoordelijk voor een groot en groeiend deel van het elektriciteitsverbruik, vooral in warme en snel welvarender wordende regio's. Een dak of paneel dat passief, dus zonder elektriciteit, een deel van de koellast wegneemt, kan in potentie de vraag naar mechanische koeling verminderen.
Daarnaast speelt radiatieve koeling in op het zogeheten stedelijk hitte-eiland-effect: het verschijnsel dat steden door donker asfalt, beton en weinig groen aanzienlijk warmer worden dan hun omgeving. Reflecterende, radiatief koelende dakbedekking en gevelmaterialen zouden dat effect kunnen dempen.
Onderzoekers kijken ook naar kleinere toepassingen: textiel dat het lichaam passief koelt zodat mensen minder snel airconditioning nodig hebben, coatings die zonnepanelen een paar graden koeler houden (koelere panelen zijn iets efficiënter), en koelsystemen voor gebieden zonder betrouwbaar elektriciteitsnet, bijvoorbeeld voor het bewaren van voedsel of medicijnen. Een ander onderzoeksspoor is waterwinning: een radiatief gekoeld oppervlak kan 's nachts onder het dauwpunt zakken, waardoor vocht uit de lucht condenseert en als drinkwater kan worden opgevangen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het veld kreeg een belangrijke impuls in 2014, toen onderzoekers van Stanford University onder leiding van Shanhui Fan en Aaswath Raman in het tijdschrift Nature voor het eerst lieten zien dat een fotonische multilaagstructuur ook in volle zon onder de omgevingstemperatuur kon blijven. Dat was het startpunt van wat nu vaak "passieve daglicht-radiatieve koeling" wordt genoemd.
In 2017 publiceerden Ronggui Yang en Xiaobo Yin van de University of Colorado Boulder in Science een goedkopere en beter opschaalbare aanpak: een polymeerfilm met daarin ingebedde glazen microbolletjes, op een dunne zilveren laag, die op grote schaal via een rol-aan-rolproces te produceren zou zijn.
Uit het onderzoek van Fan en Raman is het bedrijf SkyCool Systems voortgekomen, dat sinds ongeveer 2018-2019 koelpanelen op daken test die via een vloeistofcircuit warmte afvoeren naar bestaande koel- en airco-installaties. Er zijn pilotprojecten geweest bij onder meer supermarkten in Californië, waarbij de panelen als aanvulling op de koelinstallatie fungeerden. Het gaat vooralsnog om praktijkproeven en niche-toepassingen, geen wijdverbreide uitrol.
Rond 2020-2021 kwam de groep van Xiulin Ruan aan Purdue University in het nieuws met een extreem witte verf op basis van bariumsulfaat-deeltjes, met een zonreflectie van naar verluidt rond de 98 procent, wat volgens de onderzoekers oppervlakken merkbaar onder de omgevingstemperatuur kan houden.
Ook op het gebied van kleding is onderzoek gedaan: Yi Cui en collega's van Stanford presenteerden rond 2016 een stof op basis van nanoporeus polyethyleen ("nanoPE") die infraroodstraling van het lichaam beter doorlaat dan gewone stoffen, met als doel mensen een koeler gevoel te geven zonder airconditioning.
Hoe ver is de techniek?
De onderliggende natuurkunde en de eerste laboratoriumdemonstraties zijn sinds 2014 goed onderbouwd en herhaaldelijk bevestigd. De uitdaging ligt nu vooral in opschaling: van een stukje materiaal in een laboratorium naar goedkope, duurzame producten die jarenlang buiten kunnen functioneren.
Commerciële toepassingen bestaan al, zoals de panelen van SkyCool Systems en diverse radiatief koelende verven en coatings, maar het gaat nog om een niche naast de gevestigde airconditioning-industrie. De kosten per vierkante meter zijn voor veel toepassingen nog hoger dan die van conventionele koeling, al kunnen de operationele kosten (geen stroomverbruik) dat op termijn compenseren.
De prestaties zijn sterk afhankelijk van het klimaat. In droge lucht met een heldere hemel werkt het atmosferisch venster optimaal en kan het koeleffect het grootst zijn. In vochtige of bewolkte omstandigheden absorbeert waterdamp een deel van de uitgestraalde warmte en straalt de lucht zelf ook terug, waardoor het effect afneemt. Het koelvermogen van de meeste systemen ligt in de orde van enkele tientallen tot ongeveer honderd watt per vierkante meter, wat aanzienlijk minder is dan het vermogen van een gewone airconditioner. Er is dus veel oppervlak nodig, en de techniek wordt vooral gezien als aanvulling op bestaande koelsystemen, niet als volwaardige vervanging ervan.
Praktische obstakels zijn verder de gevoeligheid van sommige coatings voor stof, vervuiling en UV-degradatie in de buitenlucht, wat de prestaties na verloop van tijd kan doen afnemen, en het ontbreken van breed geaccepteerde teststandaarden waarmee verschillende producten eerlijk met elkaar te vergelijken zijn.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten en China zijn op dit moment de belangrijkste onderzoekslanden. In de VS lopen de meest aangehaalde onderzoekslijnen bij Stanford University (Shanhui Fan en collega's), UCLA (waar Aaswath Raman na zijn tijd bij Stanford onderzoek naar radiatieve koeling voortzet), de University of Colorado Boulder (Ronggui Yang en Xiaobo Yin) en Purdue University (Xiulin Ruan). SkyCool Systems is de bekendste bedrijfsspin-off die de technologie naar de markt probeert te brengen.
In China werken verschillende universiteiten en onderzoeksinstituten aan zowel materiaalontwikkeling als praktijktoepassingen, vaak met een focus op goedkope, schaalbare coatings voor daken en gebouwen. Daarnaast is er groeiende belangstelling vanuit landen met zeer hete klimaten, zoals delen van India en het Midden-Oosten, waar radiatieve koeling wordt onderzocht als middel om de energievraag voor airconditioning te beperken. Ook diverse materiaal- en verffabrikanten werken aan commerciële coatings die op deze principes zijn gebaseerd.