Kølegardin lavet af en porøs tre-lags membran - alternativ til elektrisk drevet aircondition

Klimaændringer fører til stadig højere temperaturer og tørhed i mange områder, gør effektiv rumkøling stadig vigtigere. En ETH ph.d.-studerende ved Laboratoriet for funktionelle materialer har udviklet et alternativ til elektrisk drevet aircondition:et kølegardin lavet af en porøs trelagsmembran.

Det hele begyndte med en vag idé:"Vi syntes, det ville være interessant at kombinere modsatrettede funktioner i ét materiale, " siger Mario Stucki, en ph.d.-studerende ved ETH Zürichs Functional Materials Laboratory. Han kombinerede to lag hydrofob (vandafvisende) polyurethan med et mellemlag af hydrofil (vandtiltrækkende) polymer. Den resulterende membran føles tør, selvom det er mættet med vand, og da de ydre lag er dækket af huller på omkring en mikrometer i diameter, vand kan slippe ud fra mellemlaget og ud i miljøet.

Et alternativ til varmeramte områder

Da Stucki indså, hvor godt vandtransporten fungerer på tværs af de forskellige lag, han kom på ideen om kølegardinet. "Vandfordampning kræver meget energi, " siger han. "Varme udvindes fra luften, det køler og befugter på samme tid det omkringliggende område." Konventionelle luftfugtere fungerer på samme måde - men de har brug for meget strøm, hvorimod Stuckis system er passivt. "Sollyset, der falder gennem et vindue på gardinet, giver nok energi til denne type aircondition."

Sådanne gardiner kunne være en rigtig velsignelse i varme og tørre områder. I 2015 mennesker på den arabiske halvø udholdt en hedebølge med temperaturer på mere end 50°C. Klimaforskere forudser endnu højere temperaturer og alvorlig tørhed for ørkenområder, hvilket kan føre til, at visse klimazoner bliver ubeboelige. Afkøling af bygninger og rum bliver derfor stadig mere essentiel, men den fortærer enorme mængder elektricitet. I USA, for eksempel, omkring 15 procent af energiforbruget kan henføres til airconditionudstyr, og en enorm mængde af denne energi kommer fra fossile brændstoffer. Det passive kølegardin ville være et miljø- og klimavenligt alternativ.

Videreudvikling af en tidligere innovation

Stucki vakte opmærksomhed tilbage i 2013 med sin kandidatafhandling ved ETH Zürich, da han på ingen tid udviklede et nyt materiale til udendørs brug. I modsætning til konventionelle funktionelle tekstiler, det indeholder ikke fluorforbindelser, som er skadelige for miljøet og menneskers sundhed.

Hans nuværende forskning gør brug af denne opfindelse:han funktionaliserede sit tekstil ved hjælp af pladsholdere, hvortil han blandede små kalkstenspartikler i den flydende polymer, som senere forarbejdes til tekstilet. Kalkstenspartiklerne fjernes derefter fra det faste materiale med salt- eller eddikesyre, så der dannes små huller ved nanopartiklernes steder. Disse er nødvendige for at materialet kan fungere og "ånde". De ydre vægge på kølegardinet er lavet af dette porøse materiale, så det midterste hydrofile lag kan levere vand til det omkringliggende område.

Stucki brugte en metode udviklet i 2012 af ETH-professor Wendelin Stark og hans gruppe til at kombinere de forskellige lag til ét materiale. Disse lag er ikke limet sammen, som det er sædvanligt i industrielle processer; i stedet, de anbringes oven på hinanden i et passende opløsningsmiddel, hvorved de ydre lag opløses lidt og forbindes med mellemlaget. Det er den eneste måde, forskerne kan sikre, at membranens ydre materiale forbliver porøst.

Et vellykket proof of concept

Stucki var i stand til at bevise kølegardinets grundlæggende funktionalitet ved at eksperimentere. Han lagde trelagsmembranen i et vandbad og målte vandtabet i det omkringliggende område ved 30°C og 50 procent luftfugtighed (mellem 1,2 kg og 1,7 kg vand pr. dag og kvadratmeter). Forskerne beregnede resultaterne ud fra et kubisk hus med en væglængde på 10 m. Ved en udetemperatur på 40°C og en indvendig temperatur på 30°C, gardinoverfladen på 80m2 var tilstrækkelig til at sprede mere varme end tilført af sollys, hvilket betyder, at huset blev passivt afkølet.

"Vi var i stand til at vise, at vores system grundlæggende fungerer, " siger Stucki, "men for at kommercialisere det, vi har stadig en masse spørgsmål at løse." F.eks. de skal bestemme, hvordan materialet opfører sig mikrobiologisk, da høje temperaturer og luftfugtighed danner den ideelle grobund for vækst af bakterier og svampe. Stucki siger, imidlertid, at det syntetiske materiale, der blev brugt til det ydre lag, relativt let kunne erstattes med antiseptiske materialer; dette er en af ​​fordelene ved funktionalisering ved hjælp af nanopartikler af kalksten.

En yderligere udfordring er at sikre, at gardinet er i stand til at fordampe vand over hele overfladen, hvilket vil kræve forbedringer af vandtransporten i membranen. Det er også stadig uklart, hvor længe membranen kan fungere stabilt.

Efter at have afsluttet sin doktorgrad i sommer, Stuck vil koncentrere sig om kommercialisering af fluorfri udendørs tekstiler. Han leder i øjeblikket efter finansieringspartnere. Imidlertid, han har ikke udelukket, at den nye membran også har potentiale i udendørssektoren, da den er ideel til regulering og fjernelse af sved – en af ​​funktionelle tekstilers vigtigste egenskaber.