Een nieuw ontwikkeld materiaal krijgt bij een temperatuur rond de 65 graden andere eigenschappen. Daardoor kan het warmte zowel opslaan als afgeven.

 

Een team van veertien onderzoekers uit China heeft een materiaal ontwikkeld dat overdag warmte opneemt en het ’s nachts weer afstaat.

Nu klinkt dat niet zo bijzonder, dat doet een baksteen immers ook. Maar waar dit bij een baksteen gebeurt omdat deze zijn temperatuur langzaam maar zeker aanpast aan die van de omgeving, geldt dat voor dit nieuwe materiaal uit China niet. Dat kan overdag opwarmen tot zo’n 170 graden boven de omgevingstemperatuur, en ’s nachts afkoelen tot ongeveer twintig graden onder de omgevingstemperatuur.

Deze week presenteerden de wetenschappers hun uitvinding in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.

 

Materiaal

Het gelaagde materiaal bestaat uit vanadiumdioxide (VO2), saffier (Al2O3)  en aluminium (Al).

De opwarming gedurende de dag is fotothermisch – dus vindt plaats door licht om te zetten in warmte. De afkoeling gedurende de nacht vindt plaats door warmtestraling naar de omgeving, op dezelfde  manier als een straalkachel dat doet.

Bij de eerder genoemde baksteen gebeurt zowel de opwarming als de afkoeling door  warmtegeleiding.

 

Fase-overgang

De omslag tussen de verschillende eigenschappen van het materiaal vindt plaats dankzij een temperatuurafhankelijke faseovergang van de dunne vanadiumoxidelaag. Als die opwarmt tot boven de 68 graden gaat hij over van een isolerende toestand (waarin het materiaal nauwelijks elektriciteit geleidt) naar een metaalachtige toestand (waarin het juist makkelijk elektriciteit geleidt), en wordt het een goede zonlicht-absorbeerder. Als het daarna weer afkoelt tot onder de 64 graden, vindt de omgekeerde overgang plaats, en verandert het materiaal in een warmtestraler.

Bij een temperatuur hoger dan Tc (critical temperature) gaat het materiaal in de PT(photo-thermal)-stand, bij een lagere temperatuur in de RC(radiative cooling)-stand. Uit: Ao et al., Self-adaptive integration of photothermal and radiative cooling for continuous energy harvesting from the sun and outer space, PNAS (2022)

 

Gebruik

Het nieuwe materiaal biedt de mogelijkheid energie te oogsten uit zonlicht. Dat doen zonnecellen ook, maar waar die de energie omzetten in elektriciteit, slaat dit materiaal het op als warmte. Dat is uiteindelijk efficiënter, schrijven de onderzoekers.

Zij zien toepassingen voor hun uitvinding in het verwarmen en koelen van gebouwen, het ‘oogsten’ van water uit de atmosfeer door condensatie op een koud materiaal, en het opwekken van elektriciteit.

 

Openingsbeeld: Chuttersnap, via Unsplash.com