Wie sieht Glas aus, das das Sonnenlicht regulieren kann?

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Chen Lin (Institut für Technische Thermophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften), Chen Jintao (Universität für Luft- und Raumfahrt Peking)

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Glas ist in unserer menschlichen Gesellschaft seit Tausenden von Jahren präsent, doch lange Zeit war Glas tatsächlich ein Luxusartikel, fast auf derselben Stufe wie Gold, Silber und Schmuck. Beispielsweise bat Jia Rong in „Der Traum der Roten Kammer“ Wang Xifeng einmal, sich einen gläsernen Kang-Wandschirm auszuleihen, um „seinen Reichtum zur Schau zu stellen“ und zu zeigen, dass er der Oberschicht angehörte. Im frühen 20. Jahrhundert hielt Glas aufgrund von Durchbrüchen in der Produktionstechnologie allmählich Einzug in die Häuser der einfachen Leute.

Die bemerkenswerteste Eigenschaft von Glas ist seine hohe Lichtdurchlässigkeit, die es den Menschen ermöglicht, die Sonne im Haus zu genießen und gleichzeitig die Landschaft draußen zu betrachten.

Nacht im Fenster (Fotoquelle: Veer Gallery)

Allerdings bringt diese Eigenschaft des Glases auch Nachteile mit sich.

Im Sommer scheint Sonnenlicht durch das Glas in den Raum und erhöht die Raumtemperatur. Im Winter geht durch das Glas viel Wärme verloren, wodurch die Temperatur im Haus sinkt.

Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass der Energieverlust durch Tür- und Fensterglas in meinem Land etwa ein Fünftel des gesamten Energieverbrauchs unserer Gesellschaft ausmacht. Dies ist eine sehr überraschende Zahl, die uns selten auffällt.

Wie also verschwendet Glas Energie?

Der Grund, warum Glas Energie verschwendet: Wärmestrahlung

Nach den Grundprinzipien der Thermodynamik wissen wir, dass es drei Hauptformen der Wärmeübertragung gibt: Wärmekonvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung.

Unter thermischer Konvektion versteht man das Phänomen der Wärmeübertragung durch die Strömung von Gasen oder Flüssigkeiten. Wenn beispielsweise ein Fenster vorhanden ist, kann durch Schließen dieses Fensters die Luftkonvektion zwischen Innen- und Außenbereichen blockiert und so der Energieverbrauch gesenkt werden.

Wärmeleitung bedeutet, dass Wärme von einem Bereich mit höherer Temperatur zu einem Bereich mit niedrigerer Temperatur übertragen wird. Um aus Sicht der Wärmeleitung Glas mit guter Energiesparwirkung zu erhalten, können wir das Glas dicker machen oder es aus zwei Schichten zusammensetzen und einen Hohlraum zwischen den beiden Schichten lassen oder den Hohlraum zusätzlich in ein Vakuum evakuieren, was heute das übliche Doppelschichtglas ist.

Unter Wärmestrahlung versteht man das Phänomen, dass ein Objekt aufgrund seiner Temperatur elektromagnetische Wellen aussendet. Aus dieser Perspektive ist die Situation etwas komplizierter.

Der Zweck der Installation von Glas besteht darin, die Außenwelt zu sehen. Gleichzeitig erhält der Raum durch das Glas Sonnenstrahlung, wodurch die Innentemperatur steigt, die Innenheizung strahlt jedoch elektromagnetische Wellen durch das Glas nach außen ab, wodurch die Raumtemperatur sinkt.

Wirklich gutes Energiesparglas ist also eines, das die Sonnenstrahlung eindringen lässt, gleichzeitig aber die Strahlung, die die Raumtemperatur erhöht, am Entweichen hindert und so die gesamte Strahlung kontrolliert. Der große Wärmestrahlungsüberschuss ist der Hauptgrund für die Energieverschwendung bei Glas.

Drei Formen der Wärmeübertragung (Bildquelle: Referenz 3)

Im Winter beispielsweise sind die Wärmequellen in Innenräumen hauptsächlich Sonneneinstrahlung und Heizungsstrahlung.

Durch das Glas gelangt Sonnenstrahlung in den Raum und die Innentemperatur ist normalerweise höher als die Außentemperatur. Darüber hinaus geben verschiedene Heizgeräte wie Heizkörper und Heizgeräte bei Raumtemperatur mittlere und ferne Infrarotstrahlung ab. Die Strahlung trifft auf das Glas, wodurch das Glas die abgestrahlte Wärme absorbiert und sich erwärmt. Anschließend überträgt das Glas diese Energie auf das Eis und den Schnee draußen, was zu einem großen Energieverlust führt.

Was wäre, wenn wir einen Weg finden könnten, mehr Sonnenstrahlung hereinzulassen und weniger Wärmestrahlung hinauszulassen? Dann kann dieser Energieverbrauch erheblich reduziert werden.

Unterschiedliche Strahlung, die durch gewöhnliches Glas dringt (Bildquelle: Referenz 1)

Jetzt haben Wissenschaftler ein neues Material entwickelt. Nach dem Auftragen auf das Glas verfügt dieses über die Fähigkeit, das Sonnenlicht zu regulieren und wird zu einem neuen Typ Energiesparglas.

Also, was ist dieses neue Material? Wie wird Glas energieeffizient? Welche Vorteile bietet es gegenüber herkömmlichem Energiesparglas? Lassen Sie es mich Ihnen langsam erzählen.

Metamaterialien zur Regulierung der Wärmestrahlung erfolgreich entwickelt

Der größte Unterschied zwischen solarer Wärmestrahlung und Wärmestrahlung in Innenräumen besteht darin, dass sie in unterschiedlichen Bändern liegen. Wenn wir also die Ein- und Austrittsbedingungen der Bänder auf dem Glas festlegen, können wir ihre Anwesenheit oder Abwesenheit künstlich steuern.

Basierend auf dieser Idee kombinierten Forscher vom Institut für Technische Thermophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hochtransparente Polymermaterialien mit Nanokomponenteneinheiten mit spezifischen Strukturen, um ein Metamaterial (ein künstliches Material mit besonderen Eigenschaften) zu entwerfen, das Strahlung regulieren kann.

Durch Aufbringen dieses künstlichen Materials auf gewöhnliches Glas kann es in eine neue Art von Energiesparglas umgewandelt werden.

Die Wellenlängen der solaren Wärmestrahlung und der Wärmestrahlung in Innenräumen (Bildquelle: Referenz 1)

In diesem Metamaterial lassen hochtransparente Polymermaterialien sichtbares Licht besser durch, während Nanoeinheiten für die Abschirmung der Strahlung verantwortlich sind – sie werden bei Kontakt mit kurzwelliger Sonnenstrahlung aktiviert und setzen Energie frei; und für die langwellige Wärmestrahlung, die von Objekten mit Raumtemperatur abgegeben wird, wird ein „großes Netz“ gebildet, um sie zurückzureflektieren.

Dieses Metamaterial ermöglicht in Kombination mit Glas, dass das Glas Wärmestrahlung selektiv durchlässt und gleichzeitig eine gute Lichtdurchlässigkeit aufrechterhält. Dadurch wird der Zweck erreicht, im Winter warm zu halten und im Sommer die Hitze zu blockieren.

Metamaterialien absorbieren die Wärmestrahlung der Sonne und verhindern, dass die Wärmestrahlung in Innenräumen entweicht (Bildquelle: Referenz 1)

Welchen Energiespareffekt hat das neue Glas? Die Forscher führten ein Experiment durch: zwei Glashausmodelle, eines aus gewöhnlichem Glas und das andere aus hocheffizientem Energiesparglas. Die Ausgangstemperatur in beiden Modellen betrug 21 Grad Celsius und die Einrichtung zur Simulation der Sonneneinstrahlung wurde eingeschaltet, damit sie gleichzeitig direktem Sonnenlicht ausgesetzt waren.

Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Temperatur des gewöhnlichen Glasraums nach einer Stunde auf 27,3 Grad Celsius und die Temperatur des hocheffizienten Energiesparglasraums auf 43 Grad Celsius anstieg.

Temperaturvergleichstest zwischen strahlungskontrolliertem Glasraum und gewöhnlichem Glasraum (Bildquelle: Referenz 1)

Die Temperaturen der beiden Modellräume stiegen im Vergleich zur Ausgangstemperatur um 6,3 Grad Celsius bzw. 22 Grad Celsius. Mit anderen Worten: Der energieeffiziente Glasraum kann die Temperatur um 15,7 Grad Celsius mehr erhöhen als der gewöhnliche Glasraum.

Ergebnisse des Temperaturanstiegs bei Experimenten in strahlungskontrollierten Glasräumen und gewöhnlichen Glasräumen (Bildquelle: Referenz 1)

Dies zeigt, dass hocheffizientes Energiesparglas eine bessere Durchlässigkeit für solare Wärmestrahlung aufweist und auch eine bessere Blockierungswirkung auf die Wärmestrahlung in Innenräumen hat.

Experimente haben gezeigt, dass hocheffizientes Energiesparglas uns dabei helfen kann, Sonnenenergie besser zu nutzen und auch mehr Energie zu sparen.

Welche Vorteile bietet Energiesparglas?

Gegenüber dem bestehenden Energiesparglas weist das neue Energiesparglas drei wesentliche Vorteile auf:

Das erste ist die Effizienz. Durch die Verwendung neuen Energiesparglases kann Energie gespart werden, während gleichzeitig möglichst viel Sonnenenergie eindringen kann, was sich positiv auf die Temperaturregelung im Innenbereich auswirkt.

Untersuchungen zeigen, dass die Durchlässigkeit für sichtbares Licht bei bestehendem Energiesparglas relativ gering ist und im Allgemeinen zwischen 30 % und 70 % liegt. Neues Energiesparglas kann jedoch über 85 % erreichen und so mehr Licht eindringen lassen.

Der zweite Vorteil ist die einfache Herstellung, der Transport und die Verwendung. Die Herstellung von herkömmlichem Energiesparglas erfordert das Aufdampfen verschiedener Beschichtungen im Vakuum, ein Verfahren, das hohe Produktionskosten verursacht und den Transport erschwert. Da herkömmliches Energiesparglas innen ein Vakuum aufweist, ist bei einer Modernisierung und einem Austausch zudem ein Austausch des gesamten Glases erforderlich.

Was das neue Energiesparglas betrifft, egal ob es sich um herkömmliches Glas oder Glas mit einer bestimmten Energiesparleistung handelt, besteht, solange es geformt ist, keine Notwendigkeit, es zu demontieren oder andere Änderungen vorzunehmen. Es muss lediglich eine Beschichtung mit diesem Material vorgenommen werden oder es kann eine Folie aus diesem Material verwendet werden.

Der dritte Vorteil ist die Flexibilität. Dieses Metamaterial ist ein flexibles Material, das in verschiedenen Szenarien verwendet werden kann.

Beispielsweise war es in der Vergangenheit ziemlich schwierig, Zelte mit Glas mit niedrigem Emissionsgrad auszustatten. Da Niedrigemissionsglas doppelschichtiges, sehr dickes Glas zum Schutz der Funktionsschicht im Inneren erfordert, mangelt es ihm an Flexibilität. Mit dieser neuen Technologie können wir nun aus Metamaterialien Filme herstellen oder direkt Beschichtungen daraus herstellen und diese auf Zelte sprühen.

Obwohl energieeffizientes Glas im Labor gute Ergebnisse liefert, muss seine universelle Anwendbarkeit noch nachgewiesen werden, da umfangreichere Tests zur Umweltbeständigkeit, beispielsweise in extrem kalten Regionen und Gebieten mit starkem Salznebel, noch nicht durchgeführt wurden.

Bevor eine neue technologische Entwicklung im Leben angewendet werden kann, muss sie strengen wissenschaftlichen Forschungsexperimenten und explorativen Analysen unterzogen werden. Dies hindert uns jedoch nicht daran, der zukünftigen Anwendung dieser Technologie entgegenzublicken, denn ihre Eigenschaften können in uns unendliche Sehnsucht wecken.

Welche Anwendungsaussichten hat hocheffizientes Energiesparglas?

Die Flexibilität von energieeffizientem Glas hat Wissenschaftlern zahlreiche Anwendungsperspektiven eröffnet.

Beispielsweise müssen wir Gemüse außerhalb der Saison in landwirtschaftlichen Gewächshäusern anbauen, aber in manchen Gegenden ist der Pflanzeffekt aufgrund der hohen Gesamtbreite, des unzureichenden Sonnenlichts und der niedrigen Temperaturen im Gewächshaus nicht optimal.

Wird dieses Metamaterial im Gewächshaus eingesetzt, kann es die Temperatur im Gewächshaus erhöhen und aufrechterhalten, was einem verbesserten „Kunststoff-Gewächshaus 2.0“ entspricht.

Einige Wissenschaftler haben sogar verrückte Ideen und glauben, dass Menschen, wenn sie in Zukunft auf dem Mars Gemüse anbauen können, dieses Metamaterial möglicherweise dazu nutzen könnten, die Sonnenenergie besser zu nutzen.

Gemüsegewächshaus (Bildquelle: Referenz 4)

Beispielsweise kann dieses Metamaterial auch dazu verwendet werden, die Wärmedämmung von Kisten zu verbessern. Transparente Boxen mit Metamaterialbeschichtungen und besserer Wärmespeicherwirkung könnten uns in Zukunft köstlichere Speisen ermöglichen und auch den Lieferjungen helfen.

Für mehr technische Fantasie kann auch hocheffizientes Energiesparglas sorgen. Ihr Kern besteht eigentlich in der gezielten Abstrahlung von Licht. Wenn Wissenschaftler Licht selektiv passieren lassen können, ist es dann auch möglich, alle elektromagnetischen Wellen im Lichtbereich selektiv passieren zu lassen?

Manchmal ist unser Handysignal in Innenräumen nicht sehr gut. Der Grund liegt darin, dass die elektromagnetischen Wellen der Basisstation außerhalb des Hauses nicht in das Haus vordringen können. Können wir, wenn wir die aktuelle Technologie aktualisieren und verbessern, gezielt die gewünschten elektromagnetischen Wellen empfangen und Störungen durch andere Störsignale beseitigen? Und mehr noch: Können wir elektromagnetische Wellen, die für den menschlichen Körper schädlich sind, daran hindern, in den Raum einzudringen?

Vielleicht gelingt es Wissenschaftlern in naher Zukunft, das Problem zu lösen und uns einen Blick auf die Wahrheit zu gewähren.

Quellen:

1. „Durch neue Technologien sehen“ 20210417 Glas, das Sonnenlicht reguliert_Offizielle Website des CCTV-Programms-CCTV-10_CCTV.com (cctv.com)

2. Stadtlandschaft von Peking außerhalb des Glasfensters Bildmaterial_ID:VCG211129496296-VCG.COM

3. Definition und Unterschied von Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung_Baidu Knows (baidu.com)

4. So lösen Sie das Problem des Pflanzlichts im modernen Gemüsegewächshausbau (11467.com)

5. Die Auslieferung ist so harte Arbeit. Warum sind so viele Menschen so begierig darauf, sie zu übernehmen? _Einkommen (sohu.com)