Klimatförändringar leder till allt högre temperaturer och torrhet på många områden, gör effektiv rumskylning allt viktigare. En ETH-doktorand vid Functional Materials Laboratory har utvecklat ett alternativ till eldriven luftkonditionering:en kylridå gjord av ett poröst trippelskiktmembran.

Det hela började med en vag idé:"Vi tyckte att det skulle vara intressant att kombinera motsatta funktioner i ett material, säger Mario Stucki, doktorand vid ETH Zürichs funktionella materiallaboratorium. Han kombinerade två lager av hydrofob (vattenavvisande) polyuretan med ett mittskikt av hydrofil (vattentraktande) polymer. Det resulterande membranet känns torrt, även om det är mättat med vatten, och eftersom de yttre skikten är täckta med hål på cirka en mikrometer i diameter, vatten kan rinna ut från mittskiktet till miljön.

Ett alternativ för värmepåverkade områden

När Stucki insåg hur väl vattentransporten fungerar över de olika skikten, han kom på idén om kylridån. "Förångning av vatten kräver mycket energi, "säger han." Värme extraheras från luften, det svalnar och fuktar samtidigt omgivningen. "Konventionella luftfuktare fungerar på samma sätt - men de behöver mycket kraft, medan Stuckis system är passivt. "Solljuset som faller genom ett fönster mot gardinen ger tillräckligt med energi för denna typ av luftkonditionering."

Sådana gardiner kan vara en riktig välsignelse i varma och torra områden. År 2015, människor på Arabiska halvön tålde en värmebölja med temperaturer på mer än 50 ° C. Klimatforskare förutspår ännu högre temperaturer och svår torrhet för ökenregioner, vilket kan leda till att vissa klimatzoner blir obeboeliga. Att kyla byggnader och rum blir därmed allt viktigare, men det slukar stora mängder el. I USA, till exempel, cirka 15 procent av energiförbrukningen kan hänföras till luftkonditioneringsutrustning, och en enorm mängd av denna energi kommer från fossila bränslen. Den passiva kylridån skulle vara ett miljö- och klimatvänligt alternativ.

Vidareutveckling av en tidigare innovation

Stucki uppmärksammades redan 2013 med sin magisteruppsats vid ETH Zürich, när han utvecklade ett nytt material för utomhusbruk på nolltid. Till skillnad från konventionella funktionella textilier, den innehåller inte fluorföreningar, som är skadliga för miljön och människors hälsa.

Hans nuvarande forskning använder den uppfinningen:han funktionaliserade sin textil med hjälp av platshållare, för vilken han blandade små kalkstenpartiklar i den flytande polymeren, som senare bearbetas till textil. Kalkstenpartiklarna avlägsnas sedan från det fasta materialet med saltsyra eller ättiksyra, så att små hål bildas på platserna för nanopartiklarna. Dessa är nödvändiga för att materialet ska fungera och "andas". Ytterväggarna på kylridån är gjorda av detta porösa material för att det mellersta hydrofila skiktet kan leverera vatten till det omgivande området.

Stucki använde en metod som utvecklades 2012 av ETH -professor Wendelin Stark och hans grupp för att kombinera de olika skikten till ett material. Dessa lager är inte limmade ihop, som är vanligt i industriella processer; istället, de placeras ovanpå varandra i ett lämpligt lösningsmedel, varigenom de yttre skikten löser sig något och ansluter till det mellersta lagret. Detta är det enda sättet som forskarna kan se till att membranets yttre material förblir poröst.

Ett lyckat bevis på konceptet

Stucki kunde bevisa kylridåns grundläggande funktionalitet genom experiment. Han lade trippelskiktsmembranet i ett vattenbad och mätte vattenförlusten i omgivningen vid 30 ° C och 50 procent luftfuktighet (mellan 1,2 kg och 1,7 kg vatten per dag och kvadratmeter). Forskarna beräknade resultaten baserat på ett kubikhus med en vägglängd på 10 meter. Vid en yttertemperatur på 40 ° C och en innertemperatur på 30 ° C, gardinytan på 80m2 var tillräcklig för att släppa ut mer värme än från solljuset, vilket betyder att huset var passivt kylt.

"Vi kunde visa att vårt system i grunden fungerar, säger Stucki, "men för att kommersialisera det, vi har fortfarande många frågor att lösa. "Till exempel, de måste bestämma hur materialet beter sig mikrobiologiskt, eftersom höga temperaturer och luftfuktighet utgör den perfekta grogrunden för tillväxt av bakterier och svampar. Stucki säger, dock, att det syntetiska materialet som används för det yttre skiktet relativt enkelt kunde ersättas med antiseptiska material; detta är en av fördelarna med funktionalisering med hjälp av kalksten nanopartiklar.

En ytterligare utmaning är att se till att gardinen kan avdunsta vatten över hela ytan, vilket kommer att kräva förbättringar av vattentransporten i membranet. Det är också fortfarande oklart hur länge membranet kan fungera stabilt.

Efter att ha avslutat sin doktorsexamen på sommaren, Stuck kommer att koncentrera sig på att kommersialisera fluorfria utomhustextilier. Han letar just nu efter finansieringspartners. Dock, han har inte uteslutit möjligheten att det nya membranet också har potential inom utomhussektorn, eftersom den är idealisk för reglering och avlägsnande av svett - en av de viktigaste egenskaperna hos funktionella textilier.