Quanten-KI erfindet kühlende Fensterbeschichtung

Ein durchsichtiger Überzug für Fenster soll es erlauben, Gebäude mit viel weniger Energieaufwand zu kühlen – nützlich in einer sich erwärmenden Welt.

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Diese Probe der neuen Fensterbeschichtung (oben links) sorgt für helle und kühle Räume, indem sie sichtbares Licht durchlässt, während sie unsichtbares infrarotes und ultraviolettes Sonnenlicht reflektiert und Wärme abstrahlt.

(Bild: Adapted from ACS Energy Letters 2022, DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01969)

Von
  • Ben Schwan

Es wird bekanntermaßen immer wärmer auf dem Planeten, was den Bedarf an Gebäudekühlung erhöht – selbst in Breitengraden, in denen Klimaanlagen bislang eher die Ausnahme als die Regel waren. Gleichzeitig wird Energie in Form fossiler Brennstoffe oder Elektrizität immer teurer, zumal die Menschheit sowieso weniger davon verbrauchen sollte, um den Klimagasausstoß zu verringern. Was also tun, damit es in der Wohnung und am Arbeitsplatz dennoch angenehm frisch bleibt? Schon die einfache Isolierung von Fenstern spielt hier eine zentrale Rolle – und genau dort sollen nun Künstliche Intelligenz samt Maschinellem Lernen helfen.

Eine amerikanisch-südkoreanische Forschergruppe an der University of Notre Dame in Indiana sowie der Kyung Hee University in der Nähe von Seoul wollen dadurch ein zentrales Problem lösen: Sogenannte transparente Strahlungskühler können zwar als Fenstermaterialien eingesetzt werden, um den Energiebedarf für die Kühlung von Gebäuden und sogar Fahrzeugen zu reduzieren. "Doch es ist schwierig, gleichzeitig eine hohe sichtbare Transparenz und eine hohe Strahlungskühlleistung zu erreichen." Bedeutet: Will man mit der Beschichtung ausreichend Hitze vom Haus- oder Fahrzeuginneren abhalten, wird es zu schnell dunkel. Und das möchte man auch nicht, weil dann ja wiederum Energie für Beleuchtung aufgewendet werden müsste.

Die Antwort der Wissenschaftler um Eungkyu Lee und Tengfei Luo und Co. ist ein sogenannter TRC, ein Transparent Radiative Cooler. Dabei handelt es sich um eine dünne Schicht aus alternierenden Schichten verschiedener Materialien wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Titandioxid, die auf Glas aufgebracht werden. Die Abschlussschicht bildet ein Polydimethylsiloxan. Die Schwierigkeit: Damit dieser genauso gut kühlt, also unsichtbares infrarotes und ultraviolettes Sonnenlicht reflektiert und Wärme abstrahlt, wie er das sichtbare Licht durchlässt, muss die korrekte Zusammensetzung ermittelt werden – samt Mengenangaben und Schichtdicken. Und das wiederum ist im Experiment nur mit viel Mühe zu errechnen.

Auftritt Kollege Computer: Lee und Kollegen schufen eine Software, die mittels Maschinellem Lernen Reihenfolge und Kombinationen der notwendigen Schichten berechnete. Da dies mit herkömmlichen Systemen zu lange dauerte, wurden – und das ist bei solchen Arbeiten eine recht neue Entwicklung – auch Algorithmen aus dem Bereich des Quantencomputing verwendet. Heraus kam schließlich ein TRC, der laut Aussagen der Forscher die herkömmlich produzierten Beschichtungen deutlich übertraf und mit den besten kommerziellen Gläsern konkurrieren könne.

Im Vergleich zu gewöhnlichen Fenstern reduziert sich notwendige Kühlenergie um rund 30 Prozent im Sommer. In einem nächsten Schritt soll nun untersucht werden, wie die Massenproduktion skalieren könnte. Die optimierten Strukturen "können potenziell für praktische Anwendungen vergrößert werden, da sie mit modernsten Abscheidetechniken hergestellt werden können", so das Team.

(bsc)