Licht reflektierende Wandfarbe


Forscher an der „School of Mechanical Engineering, Purdue University in West Lafayette in den USA haben eine Licht reflektierende Wandfarbe entwickelt, die einen sehr hohen Sonnenreflexionsgrad von 97,6 % aufweist. Im durchschnitt soll die Farbe so etwa 117 W/m2 emittieren. Diese Licht reflektierende Wandfarbe basiert auf BaSO4 – also Bariumsulfat.

Passive Strahlungskühlung

Um eine passive Strahlungskühlung am Tag zu erreichen, werden nach dem derzeitigen Stand der Technik oft komplizierte Mehrschichtstrukturen oder eine reflektierende Metallschicht verwendet, was ihre Anwendung in vielen Bereichen einschränkt.
Diese Mehrschichtstrukturen – beispielsweise entwickelt von Forschern um Shanhui FanOpens in a new tab. von der Stanford University – haben eine nur 1,8 Mikrometer dünne Beschichtung, in der sich Lagen aus Siliziumdioxid und Hafniumoxid abwechseln. Darauf kam noch eine Silberschicht.

Siliziumdioxid und Hafniumoxid entziehen Stoffen, die die Unterseite der Beschichtung berühren, Wärme und geben diese in Form von Strahlung wieder ab. Dessen Frequenzbereich liegt zwischen 8 und 13 Mikrometern, weshalb die Strahlung die Erdatmosphäre durchdringen kann. Auf diese Weise wird die Gebäudewärme ins All abgegeben und heizt nicht die Atmosphäre auf.

https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/nachrichten/2014/neues-passives-kuehlsystem/

Es wurden Versuche unternommen, eine passive Strahlungskühlung am Tag mit einschichtigen Farben zu erreichen, aber sie erfordern oft eine dicke Beschichtung oder zeigen nur eine teilweise Kühlung am Tag.

In dieser Arbeit zeigen wir experimentell eine bemerkenswerte Ganztagskühlleistung bei subambienter Kühlung sowohl mit BaSO4-Nanopartikelfilmen als auch mit BaSO4-Nanokompositfarben

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02368Opens in a new tab.

Bariumsulfat (BaSO4) ist das Barium-Salz der Schwefelsäure.

Bariumsulfat ist ein weißes Pulver, das in Wasser, Säuren und Basen praktisch unlöslich ist, aber in heißer konzentrierter Schwefelsäure bis zu 12 % löslich ist. Bei hoher Temperatur (> 1400 °C) zerfällt Bariumsulfat in Bariumoxid, Schwefeldioxid und Sauerstoff. Aufgrund seiner hohen Elektronendichte kann Bariumsulfat sogar als positives Kontrastmittel für Röntgenstrahlen verwendet werden.

The viewer, CC BY-SA 3.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons

In der Natur tritt Bariumsulfat im Mineral Baryt (Schwerspat) auf, das als Hauptrohstoff zur Herstellung anderer Barium-Verbindungen dient.

Bariumsulfat schon einschichtig extrem Reflektierend

BaSO4 hat eine hohe Elektronenbandlücke. Es braucht also sehr viel Energie den eigenen energetischen Zustand zu überwinden. Dies führt zu einer geringen Sonnenabsorption und einen hohen Emissionsgrad zurück Richtung Himmel. Da diese Emission im Strahlungsbereich von 8-14 Mikrometer stattfindet, kann diese fast ungehindert zurück in das All gelangen. Anders als beispielsweise Infrarotstrahlung, welche schon durch einen bedeckten Himmel teilweise zur Erde zurück reflektiert wird.

Partikelgröße und Ergebnis

Mit einer passenden Partikelgröße und einer breiten Partikelgrößenverteilung von erreicht der BaSO4-Nanopartikel-Film einen ultrahohen Sonnenreflexionsgrad von 97,6 % und einen hohen Himmelsfenster-Emissionsgrad von 0,96. Das heißt, es können ca. 96% der Eingehenden Strahlung aus dem All auch wieder reflektiert werden. Bei Feldtests bleibt der BaSO4-Film mehr als 4,5 °C unter der Umgebungstemperatur oder erreicht eine durchschnittliche Kühlleistung von 117 W/m2.

Die durchschnittliche Einstrahlungsenergie auf einem Quadratmeter Erde bei direkter Sonneneinstrahlung beträgt ca. 1000 Watt, somit ist die genannte Kühlleistung bemerkenswert. So einfach kann man im Sommer viel Energie sparen, wenn beispielsweise in einem Haus mit dieser Farbe auf der Fassade weniger gekühlt werden muss.

Videobeispiel zur ultrahoch reflektierenden Farbe auf Bariumsulfat.
https://doi.org/10.1021/acsami.1c02368Opens in a new tab.

Acrylfarbe basierend auf Bariumsulfat

Die BaSO4-Acrylfarbe wurde mit einer 60-prozentigen Volumenkonzentration entwickelt, um die Zuverlässigkeit bei Außenanwendungen zu erhöhen. Sie erreicht einen Sonnenreflexionsgrad von 98,1 % und einen Emissionsgrad von 0,95. Feldtests zeigen eine ähnliche Kühlleistung wie bei den BaSO4-Filmen.

Insgesamt weist unsere BaSO4-Acrylfarbe eine Standard-Leistungszahl von 0,77 auf, die zu den höchsten unter den Lösungen zur Strahlungskühlung gehört, während sie gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit, eine bequeme Farbform, eine einfache Anwendung und Kompatibilität mit dem kommerziellen Farbherstellungsverfahren bietet.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02368Opens in a new tab.

Diese Acrylfarbe ist leider noch in Entwicklung und noch nicht auf dem Markt erhältlich.

Quelle:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bariumsulfat.JPG
[1] Xiangyu Li, Joseph Peoples, Peiyan Yao, Xiulin Ruan, Ultrawhite BaSO4 Paints and Films for Remarkable Daytime Subambient Radiative Cooling. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021. https://doi.org/10.1021/acsami.1c02368
https://www.energieatlas-bw.de/sonne/dachflachen/hintergrundinformationen/solare-einstrahlung
https://www.geo.de/wissen/das-weisseste-weiss–farbe-reflektiert-ueber-98-prozent-des-sonnenlichts-30483490.html
Titelbild: © Purdue University / Jared Pike

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