Spectroscopic Analysis and Materials Engineering for Passive Radiative Cooling

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Lauster, Tobias:
Spectroscopic Analysis and Materials Engineering for Passive Radiative Cooling.
Bayreuth , 2024 . - XII, 169 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007365

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Abstract

Radiative transport processes are omnipresent in everyday live but mostly invisible since the human eye is only sensitive to a small fraction of wavelengths. However, through our skin, we can feel radiation as heating or cooling. After intensely researching radiative transport, I perceive the world differently. For example, when walking home through a clear night sky, I know now that the chilly feeling from above is outer space trying to kill me. Sometimes I wish for a blanket of clouds that protects my body from radiating body heat through the atmosphere into outer space. Or when I sit at a campfire in summer and observe the colors and feel the warmth, I inevitably think about Planck’s law now.
The central theme of this thesis revolves around a special application of radiative heat transfer: Passive radiative daytime cooling. All contributions within this thesis have direct or indirect connections to this field of research. The aim is to utilize the radiative heat transport pathway to cool objects. By specifically tailoring the optical properties, materials can spontaneously cool below ambient temperatures without external energy input, even with direct sunlight illumination. With climate change as the biggest challenge of this century, improving cooling technologies seemed highly important to me.
Different material aspects are crucial for passive radiative daytime cooling. The thermal emission must be optimized as the primary channel to dissipate energy. Other factors are loss contributions that reduce the cooling effect. The biggest potential loss for passive daytime cooling is the power input by solar irradiation. Absorbed solar energy can quickly diminish the cooling effect. Therefore, solar management strategies are required. The first contribution within this thesis presents one potential strategy to prevent solar absorption by strongly reflecting sunlight. A colloidal glass is assembled from particles with gradually increasing size. When assembled as a gradient material, this colloidal assembly shows broadband solar reflectance based on scattering for the entire visible wavelength range.
The second contribution in this thesis presents an approach to maximize the thermal emission and optimizes the layer thickness of different polymeric materials. In this work, my colleagues and I show how the thermal emission and the different loss contributions depend on the material thickness. With theoretical calculations based on the optical properties of the materials, an optimum layer thickness is revealed. To validate our calculations, simple radiative coolers with different emitter thicknesses are prepared, spectroscopically characterized, and tested in a field test on the rooftop. The optimization strategy is directly transferable to other materials if the optical properties are known and thus can help other researchers to improve their designs.
Besides optimizing widely applied materials also, new materials are introduced for passive radiative daytime cooling. Within the third contribution, I studied the biomaterials Chitosan and Chitin and whether they are suitable for passive radiative daytime cooling. With a solid-state conversion reaction, the water-soluble polymer Chitosan can be converted to Chitin. We reveal that both materials show below-ambient passive radiative daytime cooling through extensive optical characterization and calculation of the cooling behavior. The use of bio-compatible and abundant biomaterials is a clear advantage of the introduced system, and the work diversifies the pool of available materials.
The last two contributions within this thesis extend the available characterization methods for passive radiative daytime cooling and radiative heat transport. One big challenge in the research area is to compare materials and their performance. The state-of-the-art is a field test to measure the performance, but a direct comparison of the results is impossible due to fluctuations in atmospheric conditions. To overcome this problem, an indoor test setup to study passive radiative daytime cooling materials is introduced in this thesis. The indoor setup aims to emulate outside conditions like outer space and the sun with a liquid nitrogen-cooled aluminum dome and a solar simulator, respectively. In our work, we even show how atmospheric selectivity can be included by the addition of a selective filter.
The introduced aluminum dome of the indoor test setup can also be used to address other questions regarding radiative heat transfer. In the last contribution of this thesis, a dual-sided nonwoven material is introduced for advanced personal thermal management. The nonwoven consists of a polymeric- and metallic-side. With the dome at room temperature and a feedback-controlled heater system for the sample, the radiative transfer between the human body and the surrounding can be emulated. With the adjusted setup, we show that if the metallic side is facing the surroundings, radiative energy loss is suppressed. With the presented material design, new functional clothes for personal thermal management can be imagined.

Abstract in weiterer Sprache

Strahlungstransportprozesse sind im täglichen Leben allgegenwärtig, aber meist unsichtbar, da das menschliche Auge nur für einen kleinen Teil der Wellenlängen empfindlich ist. Über unsere Haut können wir jedoch Strahlung als Erwärmen oder Abkühlen spüren. Nachdem ich mich intensiv mit dem Strahlungstransport beschäftigt habe, nehme ich die Welt anders wahr. Wenn ich zum Beispiel bei klarem Nachthimmel nach Hause gehe, weiß ich jetzt, dass das kühle Gefühl von oben das Weltall ist, das mich umbringen will. Manchmal wünsche ich mir eine Wolkendecke, die meinen Körper vor der Abstrahlung von Körperwärme durch die Atmosphäre ins Weltall schützt. Oder wenn ich im Sommer an einem Lagerfeuer sitze und die Farben betrachte und die Wärme spüre, denke ich jetzt unweigerlich an das Plancksche Gesetz.
Das zentrale Thema dieser Arbeit dreht sich um eine spezielle Anwendung der Wärmeübertragung durch Strahlung: Der passiven strahlungsbasierten Kühlung am Tag. Alle Beiträge dieser Arbeit haben direkt oder indirekt einen Bezug zu diesem Forschungsgebiet. Ziel ist es, den Strahlungstransportweg von Wärme zur Kühlung von Objekten zu nutzen. Durch gezielte Anpassung der optischen Eigenschaften können Materialien spontan unter die Umgebungstemperatur abkühlen, ohne dass Energie von außen zugeführt wird, selbst bei direkter Sonneneinstrahlung. Da der Klimawandel die größte Herausforderung dieses Jahrhunderts darstellt, erschien mir die Verbesserung von Kühltechnologien sehr wichtig.
Für die passive strahlungsbasierte Kühlung am Tag sind verschiedene Materialaspekte entscheidend. Die Wärmeabgabe muss als primärer Kanal für die Energieableitung optimiert werden. Andere Faktoren sind Verlustbeiträge, die die Kühlwirkung verringern. Der größte potenzielle Verlust bei der passiven Kühlung am Tag ist der Energieeintrag durch Sonneneinstrahlung. Die absorbierte Sonnenenergie kann den Kühleffekt schnell vermindern. Daher sind Strategien zum Umgang mit Sonneneinstrahlung erforderlich. Der erste Beitrag dieser Arbeit stellt eine mögliche Strategie zur Verhinderung der Absorption von Sonnenlicht durch starke Reflexion vor. Ein kolloidales Glas wird aus Partikeln mit allmählich zunehmender Größe hergestellt. Wenn es als Gradientenmaterial zusammengesetzt ist, zeigt diese kolloidale Anordnung eine breitbandige Sonnenreflexion auf der Grundlage von Streuung für den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich.
Der zweite Beitrag in dieser Arbeit stellt einen Ansatz zur Maximierung der Wärmeabstrahlung und zur Optimierung der Schichtdicke verschiedener polymerer Materialien vor. In dieser Arbeit zeigen meine Kollegen und ich, wie die thermische Emission und die verschiedenen Verlustbeiträge von der Materialdicke abhängen. Mit theoretischen Berechnungen, die auf den optischen Eigenschaften der Materialien basieren, wird eine optimale Schichtdicke ermittelt. Um unsere Berechnungen zu validieren, werden einfache strahlungsbasierte Kühler mit unterschiedlichen Strahlerdicken hergestellt, spektroskopisch untersucht und in einem Feldversuch auf dem Dach getestet. Die Optimierungsstrategie ist direkt auf andere Materialien übertragbar, wenn die optischen Eigenschaften bekannt sind, und kann somit anderen Forschern helfen, ihre Designs zu verbessern.
Neben der Optimierung von weit verbreiteten Materialien werden auch neue Materialien für die passive strahlungsbasierte Kühlung am Tag vorgestellt. Im dritten Beitrag habe ich die Biomaterialien Chitosan und Chitin untersucht und geprüft, ob sie für die passive strahlungsbasierte Kühlung am Tag geeignet sind. Mit einer Festkörperumwandlungsreaktion kann das wasserlösliche Polymer Chitosan in Chitin umgewandelt werden. Durch umfangreiche optische Untersuchung und Berechnung des Kühlverhaltens zeigen wir, dass beide Materialien eine passive strahlungsbasierte Kühlung bei Tageslicht unterhalb der Umgebungstemperatur aufweisen. Die Verwendung von biokompatiblen und reichlich vorhandenen Biomaterialien ist ein klarer Vorteil des vorgestellten Systems, und die Arbeit erweitert das Angebot der verfügbaren Materialien.
Die letzten beiden Beiträge dieser Arbeit erweitern die verfügbaren Charakterisierungsmethoden für passive strahlungsbasierte Kühlung am Tag und strahlungsbasierten Wärmetransport. Eine große Herausforderung in diesem Forschungsbereich ist der Vergleich von Materialien und ihrer Leistung. Der Stand der Technik ist ein Feldtest, um die Leistung zu messen, aber ein direkter Vergleich der Ergebnisse ist aufgrund von Schwankungen der atmosphärischen Bedingungen unmöglich. Um dieses Problem zu überwinden, wird in dieser Arbeit ein Testaufbau für Innenräume zur Untersuchung von Materialien für die passive strahlungsbasierte Kühlung bei Tageslicht vorgestellt. Mit einer mit flüssigem Stickstoff gekühlten Aluminiumkuppel und einem Sonnensimulator sollen die Außenbedingungen wie im Weltraum und Einstrahlung der Sonne simuliert werden. In unserer Arbeit zeigen wir sogar, wie die atmosphärische Selektivität durch Hinzufügen eines selektiven Filters einbezogen werden kann.
Die eingeführte Aluminiumkuppel des Indoor-Testaufbaus kann auch zur Untersuchung anderer Fragen der strahlungsbasierten Wärmeübertragung verwendet werden. Im letzten Beitrag dieser Arbeit wird ein doppelseitiges Vliesmaterial für persönliches Wärmemanagement vorgestellt. Der Vliesstoff besteht aus einer Polymer- und einer Metallseite. Mit der Kuppel bei Raumtemperatur und einem rückkopplungsgesteuerten Heizsystem für die Probe kann der Strahlungstransfer zwischen dem menschlichen Körper und der Umgebung nachgestellt werden. Mit dem angepassten Aufbau zeigen wir, dass, wenn die metallische Seite der Umgebung zugewandt ist, der Strahlungsverlust unterdrückt wird. Mit dem vorgestellten Materialdesign ist Funktionskleidung für das Wärmemanagement denkbar.