Oppervlakken in zonlicht absorberen zonnewarmte en stralen warmte uit in de vorm van infrarode straling. Als de uitgestraalde warmte groter is dan de geabsorbeerde, koelt het oppervlak af. Dit proces heet passief koelen. Om dat voor elkaar te krijgen heb je materialen nodig die zonlicht sterk reflecteren en tegelijkertijd infrarood licht met een lange golflengte uitzenden, dat door de atmosfeer kan dringen zonder terug te reflecteren.

Keramische materialen die uit silica en aluminiumoxide bestaan kunnen aan deze voorwaarden voldoen en zijn bovendien slijtvast, thermostabiel en waterbestendig, wat ze aantrekkelijk maakt voor gebruik in de gebouwde omgeving. Twee afzonderlijke onderzoeksgroepen publiceren nu in Science twee vergelijkbare, microporeuze materialen die passief kunnen afkoelen. Dat moet uiteindelijk een energiezuiniger alternatief bieden voor de conventionele, energie-slurpende airconditioning.

Hoe een materiaal licht breekt en reflecteert hangt af van de brekingsindex en de extinctiecoëfficiënt van het materiaal. Een materiaal dat geschikt is voor passief koelen heeft een hoge brekingsindex, een lage extinctiecoëfficiënt in het zichtbare spectrum en een hoge extinctiecoëfficiënt in het infrarode deel van het zonnespectrum. Zo zal het materiaal weinig fotonen absorberen Helaas hebben materialen met de gewenste extinctiecoëfficiënten vaak een (te) lage brekingsindex. Een oplossing voor dit probleem is om het materiaal op nanoschaal zo aan te passen dat het invallende licht wordt verstrooid. Dat kan bijvoorbeeld met silica- en aluminiumoxidedeeltjes – deze verstrooien licht in het golflengtegebied dicht bij hun eigen diameter, waardoor het reflectievermogen toeneemt.

De onderzoeksgroepen van Xinpeng Zhao (University of Maryland) en Kaixin Lin (City University of Hong Kong) slaagden erin om de microstructuren van hun silica en aluminiumoxide zó te optimaliseren dat zo zonlicht bijna perfect reflecteren. De twee koelmaterialen hebben verschillende structuren, maar de onderliggende ontwerpprincipes zijn vergelijkbaar. Het team van Zhao maakte een glasachtige keramische coating van microporeus SiO₂ met daarin Al₂O₃-nanodeeltjes. Ze mengden aluminiumoxidedeeltjes van gemiddeld 0,5 µm groot door de silica, zodat ze inkomend licht zouden verstrooien. De nanodeeltjes zorgen er ook voor dat de microporeuze structuur niet dichtgroeit tijdens het productieproces. Volgens de auteurs kan hun coating tot 4°C verkoeling leveren.

De Lin-groep maakte juist een structuur van Al₂O₃ en slaagde erin om licht te laten verstrooien in de aluminiumoxideporiën. Hij liet zich inspireren door het schild van Cyphochilus, de witste kever op aarde. Hij rapporteert een koelvermogen van 130 Watt per vierkante meter rond het middaguur. Ze voerden testen uit met twee modelhokjes, waarvan één een dak met hun witte keramische koelmateriaal had en het andere witte commerciële dakpannen. Het verschil tussen de binnentemperaturen bereikte een maximum van 2,5°C over een periode van vier dagen. Ze vergeleken ook het verbruik van airconditioning. Als ze de binnentemperatuur instelden op 25, 23 en 20°C was de energiebesparing in het hokje met hun keramische tegels respectievelijk 26,8; 22,6 en 19,6%. Uit een energieverbruiksimulatie van een typisch appartementsgebouw van vier verdiepingen waar het materiaal zowel op de daken als op de muren zit, bleek dat het in tropische gebieden een energiebesparing van meer dan 10% per jaar kan opleveren.

Zhao et al. (2023) Science https://doi.org/10.1126/science.adi2224

Lin et al. (2023) Science https://doi.org/10.1126/science.adi4725