So kühlen Sie ein Objekt, ohne Energie zu verbrauchen

Rhett Allain

Dieser Sommer war heiß – einer der heißesten seit Beginn der Aufzeichnungen – und wahrscheinlich wird es noch heißer. Ich habe das Gefühl, dass wir an einem Punkt angelangt sind, an dem Klimaanlagen nicht nur etwas Schönes, sondern eine Notwendigkeit sind. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Dinge abzukühlen, die gebräuchlichste Methode ist jedoch die Verwendung eines Kompressors und eines Kältemittels. Allerdings sind diese herkömmlichen Wechselstromgeräte schwer (und teuer) zu reparieren und verbrauchen viel Strom. In den Vereinigten Staaten wurden im Jahr 2022 10 Prozent des Energieverbrauchs des Landes für die Luftkühlung aufgewendet. Das ist eine Menge.

Wir müssen wirklich über alternative Möglichkeiten zur Hitzereduzierung nachdenken. Es gibt eine andere Möglichkeit, die Temperatur eines Objekts zu senken – und dafür ist nicht einmal Energie oder Kraftstoff erforderlich. Man nennt es Strahlungskühlung. Durch die Verwendung der richtigen Materialien können Sie dafür sorgen, dass ein Objekt mehr Energie abstrahlt als es absorbiert, wodurch seine Temperatur um einige Grad sinkt. Es scheint zu schön, um wahr zu sein, aber es funktioniert, dank einiger sehr cooler physikalischer Ideen.

Alles strahlt Licht aus, und das bedeutet, dass alles Wärmeenergie übertragen kann. Das mag seltsam klingen, aber fangen wir damit an, über Glühbirnen nachzudenken. Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Objekt zum Leuchten zu bringen, aber die einfachste Methode besteht darin, es einfach super heiß zu machen. Bei herkömmlichen Glühlampen passiert Folgendes: Ein elektrischer Strom fließt durch einen Glühfaden im Inneren der Glühbirne und macht den Glühfaden so heiß, dass er glüht. (Diese Temperatur beträgt etwa 3.600 Grad Fahrenheit.) Es ist ganz einfach, weshalb es diese Art von Glühbirne schon seit mehr als 100 Jahren gibt.

Aber was ist mit Dingen, die nicht besonders heiß sind, wie eine Kartoffel oder Ihr Lieblingspaar Schuhe oder ein Türknauf? Ja, sie erzeugen auch eine Art Licht.

Denken Sie daran, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und alle diese Wellen sich mit Lichtgeschwindigkeit (3 x 108 m/s) ausbreiten, jedoch unterschiedliche Wellenlängen haben. Liegt die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Welle zwischen 400 und 700 Nanometern, dann nennen wir sie sichtbares Licht und es ist mit dem menschlichen Auge erkennbar. Diese Kartoffel erzeugt (bei Raumtemperatur) elektromagnetische Wellen mit einer maximalen Intensität von 9,8 Mikrometern. Wir nennen diesen Bereich des elektromagnetischen Spektrums Infrarotlicht. Sie können es mit Ihren Augen nicht erkennen, aber wir können mit einer Infrarotkamera ein Bild erstellen.

Hier ist ein Beispiel meines Hundes. Da er etwas wärmer ist als seine Umgebung, erzeugt er leicht unterschiedliche Lichtwellenlängen. Das bedeutet, dass er in einem Infrarotbild nicht einfach mit dem Hintergrund verschmilzt.

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Es gibt drei Möglichkeiten, wie Objekte eine thermische Wechselwirkung mit anderen Objekten haben können. Die gebräuchlichste Methode ist die Wärmeleitung. Dies geschieht, wenn zwei Objekte unterschiedlicher Temperatur in Kontakt kommen und Wärmeenergie vom wärmeren Objekt auf das kältere Objekt übertragen wird – etwa wenn Sie eine Dose kaltes Getränk in der Hand halten. Die Dose erwärmt sich und Ihre Hand kühlt ab.

Die nächste Wärmeübertragungsmethode ist Konvektion und funktioniert nur mit Gasen und Flüssigkeiten. Nehmen wir als Beispiel Luft. Angenommen, Sie haben eine Wärmequelle wie ein Kochfeld. Die Temperatur der Luft in der Nähe des Ofenbrenners erhöht sich durch die Wechselwirkung der Wärmeleitung. Diese heißere Luft hat nun eine geringere Dichte als die kältere Luft darüber. Es wird aufsteigen und kältere Luft wird an seine Stelle treten. Dann kann die heiße Luft eine weitere Wärmeleitungswechselwirkung mit dem darüber liegenden Material haben, beispielsweise mit der Decke. Die indirekte Wärmeübertragung vom Ofen an die Decke erfolgt durch Konvektion.

Die dritte Art der thermischen Wechselwirkung ist Strahlung – und das ist die, die wir wirklich wollen. Wenn ein heißer Gegenstand Infrarotstrahlung aussendet, kann diese Strahlung von anderen Gegenständen absorbiert werden. Genau so funktioniert Ihr Backofen. Wenn Sie das Gargut hineinlegen, werden die Heizelemente sehr heiß und erzeugen Wärmestrahlung. (Ja, das ist dasselbe wie Infrarot.) Das Essen absorbiert dies und erhöht die Temperatur.

Stellen Sie sich nun vor, Sie heizen Ihren Backofen vor, schalten ihn dann aus und stecken eine Kartoffel hinein. Der heiße Ofen gibt Wärmestrahlung ab und die Kartoffel absorbiert den größten Teil davon. Das Ergebnis: Die Kartoffel wird heißer und der Ofen kühler. Das ist nicht wirklich eine normale Art, eine Kartoffel zu backen, aber der Punkt ist, dass Objekte, die Wärmestrahlung erzeugen, abkühlen.

Aber wenn alles um uns herum elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich aussendet, sollte dann nicht alles kühler werden? Nicht wirklich. Wenn Sie einen Apfel nehmen und ihn auf einen Tisch legen, sendet er Wärmestrahlung aus. Aber es absorbiert auch Strahlung von allem anderen: dem Tisch, der Luft, den Wänden. Wenn also alle Objekte in der gleichen Umgebung bereits die gleiche Temperatur haben, werden sie nicht durch Strahlung abkühlen.

Um die Funktionsweise der Strahlungskühlung vollständig zu verstehen, muss noch eine weitere sehr wichtige Eigenschaft berücksichtigt werden: der Unterschied zwischen Reflexionsvermögen und Emissionsvermögen. Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen perfekten Spiegel. Alles Licht, das darauf trifft, wird von ihm reflektiert. Dieser Spiegel hätte einen Reflexionsgrad von 1, was bedeutet, dass 100 Prozent des Lichts, das auf ihn trifft, reflektiert werden.

Auch eine Aluminiumfolie reflektiert ziemlich viel Licht – aber nicht das ganze Licht. Es könnte ein Reflexionsvermögen von etwa 0,88 haben, was bedeutet, dass 88 Prozent reflektiert werden. Die anderen 12 Prozent des Lichts, das auf die Folie fällt, werden absorbiert, wodurch sich die Temperatur der Folie erhöht.

Stellen Sie sich nun ein Objekt vor, das überhaupt kein Licht reflektiert. Natürlich gibt es immer noch Licht ab, aber nur aufgrund seiner Temperatur und nicht, weil Licht von ihm reflektiert wird. Dieses Objekt hätte einen Emissionsgrad von 1 und wir würden es einen „perfekten schwarzen Körper“ nennen, was bedeutet, dass es die gesamte elektromagnetische Strahlung absorbiert. Emissionsvermögen ist also im Wesentlichen das Gegenteil von Reflexionsvermögen.

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Sowohl das Reflexionsvermögen als auch das Emissionsvermögen hängen von der Wellenlänge des Lichts ab. Nur weil etwas im sichtbaren Spektrum (Wellenlänge 400-700 nm) nicht sehr reflektierend ist, heißt das nicht, dass es sich auch bei Infrarotwellenlängen (ca. 10 Mikrometer) genauso verhält. Schauen Sie sich noch einmal das Infrarotbild des Hundes oben an. Ist Ihnen aufgefallen, dass Sie sein Spiegelbild auf dem Boden sehen können? Dieser Boden reflektiert im sichtbaren Spektrum nicht sehr; Für Infrarot ist es jedoch reflektierend.

Hier ist eine weitere Möglichkeit, den Unterschied zwischen einer reflektierenden und einer emittierenden Oberfläche zu erkennen. Unten ist ein Infrarotbild von zwei Aluminiumdosen, beide bei Raumtemperatur. Der einzige Unterschied besteht darin, dass auf der rechten Seite Klebeband an der Seite der Dose angebracht ist, nicht jedoch ganz oben. Das Klebeband verhindert, dass die Dose auf der rechten Seite Infrarotlicht reflektiert, was bedeutet, dass diese beiden Objekte bis auf ihren Emissionsgrad identisch sind. (Sie können sehen, wie meine Hand rechts die Oberseite der Dose berührt.)

Die einfache Aluminiumdose auf der linken Seite reflektiert im Infrarotbereich stark. Obwohl die in Orange dargestellten Teile heißer zu sein scheinen, handelt es sich dabei nicht um die Hitze der Dose, sondern um eine Infrarotreflexion der Hitze meiner Hand, die die andere Dose berührt.

Ich habe das Klebeband rechts auf die Dose geklebt, um den Emissionsgrad zu erhöhen. Da das Klebeband kein Infrarotlicht reflektiert, basiert die Farbe, die Sie sehen, auf der Temperatur der Dose und nicht auf heißen Gegenständen wie meiner Hand. (Da die Oberseite dieser rechten Dose nicht mit Klebeband bedeckt ist, spiegelt dieser Teil immer noch stark. Deshalb kann man immer noch einen orangefarbenen Fleck sehen, der die Hitze meiner Hand reflektiert.)

Hier ist ein weiteres Beispiel aus der Praxis: Ist es an einem heißen, sonnigen Tag besser, weiße oder schwarze Kleidung zu tragen? Ein weißes Hemd (mit hohem Reflexionsvermögen) reflektiert mehr Sonnenlicht und wird nicht so heiß. Ein schwarzes Hemd (mit hohem Emissionsgrad) hingegen absorbiert einen Großteil des Lichts und wird heiß. Das bedeutet also, dass es im Allgemeinen am besten ist, weiße Kleidung zu tragen – obwohl es einige seltsame Fälle gibt, in denen schwarze Kleidung tatsächlich cooler sein könnte.

Bestimmt haben Sie schon einmal eine Form der Strahlungskühlung erlebt: Im Winter können Sie anhand eines Blicks in den Himmel erkennen, ob es eine kalte Nacht wird. In einer wolkenlosen Nacht strahlt der Boden Infrarotenergie ab, und der Verlust dieser Energie führt dazu, dass der Boden deutlich kälter wird. Nicht die gesamte Energie entweicht: Kohlendioxid in der Atmosphäre kann einige Infrarotwellenlängen einfangen. Das ist es, was den Treibhauseffekt verursacht. Aber ein kleiner Bereich der Infrarotwellenlängen, nämlich zwischen 8 und 13 Mikrometern, kann durch die Atmosphäre und in den Weltraum gelangen. (Dieser Bereich wird als „Infrarotfenster“ bezeichnet.)

Dies funktioniert nur, wenn die Nacht wolkenlos ist. Wolken blockieren dieses Infrarotfenster, sodass die Energie einfach zurück zum Boden reflektiert wird. Dadurch bleibt der Boden warm. Es ist, als ob der Planet eine schöne Infrarotdecke aus flauschigen Wolken trägt.

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Und tagsüber funktioniert es nicht. Tagsüber gibt es tatsächlich Wärmestrahlung, die die Temperatur einiger Objekte senken kann. Es gibt jedoch noch eine andere große Wärmequelle: die Sonne. Das Licht der Sonne erhöht die Temperatur von Objekten stärker als der kühlende Effekt der Strahlung. Insgesamt wird alles heiß.

Es gibt eine seltsame Sache zu bedenken: Wenn sich ein Objekt auf der Erdoberfläche abkühlt, scheint dies gegen die Gesetze der Physik zu verstoßen. Dinge werden nicht einfach kälter, es sei denn, Sie machen etwas anderes heißer. Beispielsweise kühlt Ihre Klimaanlage das Innere Ihres Hauses, indem sie die Außenluft erwärmt. Die Temperatur einer Dose Limonade in einem Eiskühler sinkt, weil die Temperatur des Eises steigt und schmilzt.

Wenn also ein Objekt durch Strahlung abkühlt, muss die Temperatur eines anderen Objekts ansteigen. Dieses Objekt ist der Raum. Diese in den Weltraum emittierte Strahlung könnte schließlich den Mond treffen und die Temperatur des Mondes erhöhen – oder vielleicht breitet sie sich einfach für immer nach außen aus.

Ist es möglich, dass es bei Sonnenschein kälter als die Umgebungstemperatur wird? Jawohl. Sie können ein Strahlungskühlpaneel herstellen oder bauen. Dies wäre eine flache Oberfläche mit einem hohen Reflexionsvermögen im sichtbaren Spektrum (um zu verhindern, dass die Sonneneinstrahlung es wärmer macht) und einem hohen Infrarot-Emissionsvermögen (insbesondere im Wellenlängenbereich von 8 bis 13 Mikrometern). Das sichtbare Licht wird vom Objekt reflektiert, so dass es keine thermische Erwärmung verursacht, und die Infrarotstrahlung führt zu einem Temperaturabfall. Sowohl das reflektierte sichtbare Licht als auch die Infrarotstrahlung gelangen in den Weltraum. (Vielleicht treffen sie irgendwann einen anderen Planeten und verursachen dessen Erwärmung – aber das ist nicht wirklich unser Problem.)

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Strahlungskühlpaneel zum Laufen zu bringen. Eine sehr einfache Methode besteht darin, durchsichtiges Klebeband auf reflektierendem Aluminium zu befestigen. Das sichtbare Licht dringt durch das Band und wird dann vom Aluminium reflektiert (so dass es ein hohes Reflexionsvermögen aufweist). Das Band ermöglicht jedoch auch, dass das Material im Infrarotbereich emittiert. Das ist so einfach, dass ich es selbst ausprobieren könnte. Unten sehen Sie sowohl ein sichtbares als auch ein Infrarotbild eines Blattes Aluminiumfolie mit einem Stück durchsichtigem Paketband und auch einem Streifen normalem durchsichtigem Klebeband.

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Beachten Sie, dass die Folie im sichtbaren Spektrum sehr glänzend ist (das ist gut) und Sie den Teil mit dem Klebeband darauf nicht leicht erkennen können. Im Infrarotbereich sieht die einfache Folie dunkel aus, da sie das Infrarotlicht vom Himmel reflektiert (sie ist also nicht sehr emittierend). Allerdings sieht der Teil mit dem Klebeband deutlich heißer aus und zeigt, dass er tatsächlich die Temperatur der Folie abstrahlt. Dieses einfache Experiment wurde nicht wirklich kälter als die Lufttemperatur, da das heiße Gras darunter die Luft wahrscheinlich stärker erwärmte als der Strahlungskühlungseffekt – aber ich denke, dass es möglich ist, dies zum Laufen zu bringen.

3M stellt tatsächlich ein Strahlungskühlband her. Dies scheint etwas Ähnliches (aber wahrscheinlich besser) zu bewirken als die Methode mit Aluminiumfolie und Klebeband.

Eine andere Methode verwendet eine spezielle weiße Farbe. Diese Farbe ist im sichtbaren Spektrum stark reflektierend, im Infrarotbereich jedoch emittierend. Es gibt ein paar tolle Videos, die zeigen, wie das funktioniert und wie man es macht. Hier ist eines von Tech Ingredients. Seine Methode scheint gut zu funktionieren, aber ohne Labor könnte man sie nicht so einfach herstellen. NightHawkInLight bietet eine andere Version der Strahlungsfarbe, die Sie möglicherweise in einer normalen Küche verwenden können.

Eine weitere Option wären wesentlich kompliziertere Materialien unter Verwendung von Nanopartikeln oder Hydrogelen. Es ist auch möglich, Kleidung herzustellen, die sichtbares Licht reflektiert und Infrarotstrahlung ausstrahlt.

Es gibt zwei weitere sehr coole Anwendungen der Strahlungskühlung. Sie könnten den Temperaturunterschied zwischen einem kälteren Strahlungskühlpaneel und dem heißeren Boden nutzen, um mit einem thermoelektrischen Generator Strom zu erzeugen. (Es wäre wie ein Solarpanel, das auch nachts funktioniert.) Oder Sie könnten auch den durch Strahlungskühlung erzeugten Temperaturunterschied nutzen, um Wasser direkt aus der Luft zu kondensieren, genau wie die Feuchtigkeitsverdampfer auf Tatooine.

Das Beste daran ist, dass alle diese Anwendungen keinen elektrischen Eingang benötigen. Es ist wie freie Kühlung – vom Himmel. Keine dieser Methoden allein würde ausreichen, um eine Klimaanlage zu ersetzen, da sie nur wenige Grad Wärme abgeben. Aber jedes bisschen hilft, oder?