Keine Angst vor Strahlung! Es stellt sich heraus, dass es diese Funktionen hat …

„Kornvoll“, der achte der vierundzwanzig Solarbegriffe, symbolisiert häufige Niederschläge. „Mitte April wird es voll und prall.“ Das bedeutet, dass es im Süden reichlich regnet; und die Weizenkörner im Norden beginnen gerade, voll zu werden.

Bildquelle: Photo Network

„Alle Dinge wachsen mit der Sonne.“ Nach der Grain Full-Phase sind die Tage länger und die Sonneneinstrahlung stärker.

Haben Sie beim Gehen auf der Straße schon einmal das Glas der Gebäude am Straßenrand bemerkt? Viele davon bestehen nicht aus vollständig transparentem Glas, sondern aus beschichtetem Glas in verschiedenen Farben. Dies dient nicht nur der Ästhetik, sondern steht auch in engem Zusammenhang mit der Strahlung.

Foto von wärmereflektierendem Glas (Hinweis: aus dem Internet)

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Welche Beziehung besteht zwischen Wärme und Strahlung?

Wärmereflektierendes Glas wird hergestellt, indem mittels Vakuumbeschichtung und anderen Technologien eine wärmereflektierende Beschichtung auf der Glasoberfläche gebildet wird. Wenn es großflächig auf die Oberfläche eines Gebäudes aufgetragen wird, kann es durch Wärmereflexion, Wärmestrahlung usw. einen Großteil der Sonnenwärme außerhalb des Gebäudes blockieren und so die Wärmeaufnahme wirksam verringern und die Temperatur im Gebäudeinneren im Sommer senken.

Die Temperatur steigt, weil das Objekt weiterhin Wärme aufnimmt. Wärme kann durch Leitung, Konvektion und Strahlung übertragen werden. Unter „Strahlung“ versteht man die Emission elektromagnetischer Wellen durch Objekte in den umgebenden Raum, also Wärmestrahlung. Die Strahlungsfähigkeit hängt von der Temperatur ab. Je höher die Temperatur, desto stärker die Strahlungsfähigkeit. Daher strahlt ein heißerer Gegenstand mehr Wärme in den umgebenden Raum ab. Das Material und die Farbe der Oberfläche eines Objekts beeinflussen dessen Reflexion und Absorption von Wärmestrahlung. Bei der Strahlungskühlung werden die Eigenschaften der Reflexion und Absorption zur Kühlung genutzt.

Funktionsprinzipdiagramm von wärmereflektierendem Glas (Hinweis: aus dem Internet)

Schematische Darstellung dreier Arten der Wärmeübertragung (Anmerkung: aus dem Internet)

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Kann Strahlung zur Kühlung genutzt werden?

1. Die wissenschaftlichen Grundlagen der Strahlungswärmeübertragung

Die Strahlungswärmeübertragung basiert auf den physikalischen Prinzipien der Absorption und Emission von Strahlung. Wenn ein Objekt Strahlung absorbiert, entzieht es dem umgebenden Raum Energie, wodurch seine Temperatur steigt. Wenn ein Objekt hingegen Strahlung aussendet, gibt es Energie an den umgebenden Raum ab, was zu einem Temperaturabfall führt. Strahlungswärmeübertragung ist die Übertragung von Energie in Form elektromagnetischer Wellen. Da für diesen Vorgang kein Medium erforderlich ist, kann Wärme auch im Vakuum übertragen werden, weshalb dieser Vorgang im Weltraum weit verbreitet ist.

2. Technische Grundlagen der Strahlungskühlung

Unter „Strahlungskühlung“ versteht man eine Methode, bei der ein heißer Gegenstand mittels Schwarzkörperstrahlung Wärme durch das infrarotdurchlässige Fenster der Atmosphäre in einen äußeren Raum mit niedriger Temperatur abstrahlt und so eine Kühlung bewirkt.

Schematische Darstellung strahlungstechnischer Prinzipien (Anmerkung: aus dem Internet)

Solange die Temperatur eines Objekts über 0 K liegt, wird Wärmestrahlung erzeugt. Aufgrund der Unterschiede in der Oberflächenbeschaffenheit, der Molekularstruktur, der Temperatur und anderen Bedingungen des strahlenden Objekts wird auch die Strahlungswellenlänge unterschiedlich sein. Der größte Teil der Wärmeenergie von Objekten auf der Erdoberfläche wird durch Strahlung übertragen, die ihre eigene Wärme in Form von 13 μm elektromagnetischen Wellen durch das „atmosphärische Fenster“ in den Außenraum abgibt, wo die Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt liegt, wodurch der Zweck der Selbstkühlung erreicht wird.

Schematische Darstellung des Strahlungssystems (Hinweis: aus dem Internet)

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Strahlungswärmeübertragung wird in jedem Aspekt unseres Lebens genutzt

1. Luft- und Raumfahrt

Viele der von Astronauten im Weltraum verwendeten Raumfahrzeugausrüstungen befinden sich in einem Vakuumzustand und können weder Wärmeleitung noch Konvektion erfahren. Ihre Kühlung und Wärmeableitung erfolgt überwiegend über Strahlungswärmeübertragungstechnologie.

Schematische Darstellung eines Raumfahrzeugs (Anmerkung: aus dem Internet)

2. Landwirtschaft

Auch in Gewächshäusern wird Strahlung zur Temperaturerhöhung eingesetzt. Tagsüber dringt das Sonnenlicht durch die Gewächshausfolie und das Glas in das Gewächshaus ein und absorbiert die Wärme der Sonnenstrahlung, wodurch die Temperatur des Gewächshauses steigt. Die vom Boden reflektierte langwellige Strahlungswärme kann jedoch nicht durch das Gewächshaus entweichen, wodurch der Wärmeverlust verringert wird und eine Erwärmung erreicht wird.

Schematische Darstellung eines Gewächshauses (Hinweis: aus dem Internet)

Auch die Übertragung von Strahlungswärme findet im Alltag breite Anwendung. Beispielsweise erzielen die von uns häufig verwendeten Mikrowellenherde und Infrarotherde ihre Heizwirkung durch Strahlungswärmeübertragung. Darüber hinaus wird Strahlungswärmeübertragung auch in der industriellen Produktion für Prozesse wie das Erhitzen, Schmelzen und Verdampfen von Materialien benötigt.

Funktionsdiagramm eines Mikrowellenherds

Schematische Darstellung eines Infrarotofens (Hinweis: aus dem Internet)

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Was hält die Zukunft für die Strahlungswärmeübertragung bereit?

Aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile bieten die entsprechenden Technologien zur Strahlungswärmeübertragung ein sehr breites Spektrum an Anwendungsszenarien. Gegenwärtig spielen sie eine immer wichtigere Rolle in der Kältetechnik, im Energiesparen bei Gebäuden, bei der Energieumwandlung, der Materialaufbereitung und in anderen Bereichen. Allerdings stehen auch die damit verbundenen Technologien zur Strahlungswärmeübertragung in ihrer zukünftigen Entwicklung vor zahlreichen Herausforderungen.

1. Die Strahlung muss hinsichtlich ihrer Effizienz und ihrer sinnvollen Energiespeicherung weiter verbessert werden

Obwohl die Gesamtstrahlungsmenge enorm ist, ist die Energieflussdichte gering und die Strahlung instabil. Beispielsweise ist die Energie der Sonnenstrahlung sehr groß, wird jedoch durch viele Faktoren wie Tag und Nacht, Jahreszeit und Wetter begrenzt. An einem klaren Sommertag ist die Sonneneinstrahlung mittags am stärksten, an einem bewölkten Tag beträgt sie jedoch nur ein Fünftel davon. Um eine höhere Leistung zu erzielen, ist häufig ein Sammelgerät mit großer Fläche erforderlich. Daher ist es notwendig, die Effizienz der Energieumwandlung weiter zu verbessern, effizientere Geräte zur Umwandlung von Strahlungsenergie zu entwickeln und wirksame Energiespeichermethoden zu entwerfen, um mit der Energieinstabilität fertig zu werden.

2. Der eigentliche Produktionsprozess muss Stabilität und Haltbarkeit verbessern

Die Stabilität und Haltbarkeit von Strahlungsmaterialien spielen in der praktischen Anwendung eine entscheidende Rolle. Die Strahlungsemission und -absorption werden stark von der Farbe und Sauberkeit der Objektoberfläche beeinflusst. Bei tatsächlichen Anwendungen ist das Gerät anfällig für Wasser- und Staubansammlungen. Gleichzeitig rostet und verschlechtert sich die Leistung der Ausrüstung bei längerem Gebrauch, was die Effizienz der Energieabsorption erheblich beeinträchtigt. Daher ist es bei tatsächlichen Produktionsanwendungen auch erforderlich, eine effiziente, angemessene und kostengünstige Wartung und Instandhaltung der Geräte zu berücksichtigen.

3. Reduzieren Sie die Produktionskosten der Ausrüstung

Mit der Weiterentwicklung der Technologie können einige Materialien für Strahlungsgeräte bereits in Massenproduktion hergestellt werden, allerdings ist die Effizienz gering und die Kosten hoch. Sie sind mit konventioneller fossiler Energie vorerst nicht vergleichbar und die Lebensdauer der Anlagen ist kurz. Daher müssen bei der tatsächlichen Verwendung von Strahlungsumwandlungsgeräten die örtlichen Strompreise und Wetterbedingungen umfassend berücksichtigt werden, die Strahlungsenergie jedes Bandes muss voll ausgenutzt werden und die Amortisationszeit der Geräteinvestition muss analysiert werden, um den Gerätetyp und den Bauumfang angemessen auszuwählen.

Strahlungsanwendungsdiagramm jedes Bandes (Hinweis: aus dem Internet)

Quellen:

[EB/OL] https://pixabay.com/zh/photos/architecture-reflection-modern-1758454/

[EB/OL] https://www.sohu.com/a/375505731_376393

[EB/OL] https://www.ithome.com/0/669/888.htm

[EB/OL] http://www.zhileng.com/tech/xs/2022/1022/70669.html

[EB/OL] http://home.ustc.edu.cn/~wulj/

[EB/OL] https://www.51miz.com/tupian/1554647.html?keyword_id=158744

[EB/OL] https://www.sohu.com/a/408777934_120777133?_trans_=010001_grzy

[EB/OL] https://m.isolves.com/sh/zs/2020-12-07/34225.html

[EB/OL] https://www.jiaheu.com/topic/813143.html

[EB/OL] https://www.renrendoc.com/paper/193949656.html

Quelle: Beijing Society of Refrigeration

Beitragender: Xu Qian, Außerordentlicher Professor, Fakultät für Energie- und Umwelttechnik, Technische Universität Peking

(Empfänger des Jugendtalent-Förderprojekts 2021–2023 der Beijing Association for Science and Technology)

Zheng Qiang, Masterstudent an der Fakultät für Energie- und Umwelttechnik der University of Science and Technology Beijing

Herausgeber: Guru