Bron: Science Daily | Methode: Herschreven
Origineel: “A clear new material could make windows super efficient”
MOCHI uses microscopic, air-filled channels to stop heat in its tracks while remaining nearly crystal clear. If scaled up, it could transform windows into powerful energy savers and solar harvesters.
Fysici van de Universiteit van Colorado Boulder hebben een baanbrekend isolatiemateriaal ontwikkeld dat de manier waarop gebouwen wereldwijd warmte beheren drastisch zou kunnen verbeteren. Het nieuwe materiaal, genaamd MOCHI (Mesoporous Optically Clear Heat Insulator), functioneert als een hightech versie van bubbeltjesplastic, maar is speciaal ontworpen voor energieprestaties in plaats van verpakking.
**Transparante isolatie: een technische uitdaging**
“Om warmte-uitwisseling te blokkeren, kun je veel isolatie in je muren stoppen, maar ramen moeten transparant zijn,” verklaart Ivan Smalyukh, hoofdauteur van het onderzoek en professor in de fysica aan CU Boulder. “Het vinden van isolatoren die transparant zijn, is echt uitdagend.”
Deze uitdaging is precies wat het onderzoeksteam heeft aangepakt. Hun bevindingen werden op 11 december gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Science. MOCHI kan worden geproduceerd als dikke blokken of dunne flexibele vellen die aan de binnenkant van standaardramen kunnen worden bevestigd.
**Waarom warmteverlies door ramen zo belangrijk is**
Gebouwen van alle soorten – van woningen tot grote kantoorgebouwen – zijn verantwoordelijk voor ongeveer 40{8f6ef3fefdd3949173f51d7e15f2cf03cb58c7ea335d12bfe2cd63ab2ecce744} van het wereldwijde energieverbruik. Een groot deel van die energie gaat verloren doordat warmte in de winter naar buiten ontsnapt of tijdens warm weer de gebouwen binnenkomt. Smalyukh en zijn medewerkers hopen dat MOCHI deze ongewenste warmtestroom zal vertragen.
Het nieuwe materiaal is gebaseerd op silicone en heeft een complexe interne structuur. Het bevat lucht die gevangen zit in extreem fijne poriën die veel dunner zijn dan een mensenhaar. Deze microscopische holtes maken MOCHI tot een uitstekende thermische barrière. Een vel van slechts 5 millimeter dik is voldoende om iemand veilig een vlam ertegenaan te laten houden.
**Unieke structuur zorgt voor transparantie**
Smalyukh beschrijft de sleutel tot MOCHI’s prestaties als de precies gerangschikte luchtholtes. Het nieuwe materiaal heeft overeenkomsten met aerogels, bekende isolatoren die in veel industrieën worden gebruikt. NASA gebruikt aerogels bijvoorbeeld in zijn Mars-rovers om de elektronica warm te houden.
Aerogels vertrouwen ook op luchtgevulde poriën, maar die poriën zijn doorgaans willekeurig gerangschikt, waardoor licht wordt verstrooid. Daarom lijken aerogels vaak bewolkt en worden ze soms “bevroren rook” genoemd.
Het CU Boulder-team wilde een isolerend materiaal dat helder zou blijven terwijl het sterke thermische weerstand biedt. Om MOCHI te bouwen, combineerden onderzoekers surfactantmoleculen met een vloeibaar mengsel. Deze moleculen vormen natuurlijk draadvormige clusters, vergelijkbaar met de scheiding die optreedt wanneer olie en azijn lagen vormen in saladedressing.
Siliconenmoleculen in hetzelfde mengsel hechten zich aan het oppervlak van die kleine draadjes. Door verschillende gecontroleerde stappen verwijderen de onderzoekers vervolgens de detergentclusters en vervangen ze door lucht. Dit laat een siliconen raamwerk achter dat een netwerk van ultrakleine, luchtgevulde kanalen omringt. Smalyukh vergelijkt het ingewikkelde patroon met een “loodgieter’s nachtmerrie.”
Lucht vormt meer dan 90{8f6ef3fefdd3949173f51d7e15f2cf03cb58c7ea335d12bfe2cd63ab2ecce744} van MOCHI’s volume.
**Warmte stoppen op moleculair niveau**
Warmte verspreidt zich door gas op een manier die vergelijkbaar is met een biljart-achtige kettingreactie. Energie zorgt ervoor dat gasmoleculen en atomen sneller bewegen en met elkaar botsen, waarbij warmte wordt doorgegeven terwijl ze botsen.
De poriën in MOCHI zijn zo klein dat de gasmoleculen niet vrij kunnen botsen. In plaats daarvan raken ze herhaaldelijk de siliconen wanden, wat voorkomt dat warmte gemakkelijk door het materiaal verspreidt.
“De moleculen krijgen geen kans om vrij met elkaar te botsen en energie uit te wisselen,” legt Smalyukh uit. “In plaats daarvan botsen ze tegen de wanden van de poriën.”
Ondanks dit sterke warmteblokkerend vermogen reflecteert MOCHI slechts ongeveer 0,2{8f6ef3fefdd3949173f51d7e15f2cf03cb58c7ea335d12bfe2cd63ab2ecce744} van het inkomende licht, waardoor bijna al het zichtbare licht erdoorheen kan.
**Toekomstperspectieven en toepassingen**
De onderzoekers zien vele toepassingen voor een helder materiaal dat warmte effectief vasthoudt. Een mogelijkheid is een apparaat dat warmte van zonlicht opvangt en omzet in goedkope, duurzame energie.
“Zelfs wanneer het een enigszins bewolkte dag is, zou je nog steeds veel energie kunnen benutten en die vervolgens gebruiken om je water en het interieur van je gebouw te verwarmen,” aldus Smalyukh.
Voorlopig is MOCHI nog niet klaar voor commerciële introductie. De laboratoriumproductie vereist aanzienlijk veel tijd, hoewel Smalyukh gelooft dat efficiëntere productiemethoden kunnen worden ontwikkeld. De componenten die worden gebruikt om MOCHI te maken zijn relatief goedkoop, wat het langetermijnpotentieel voor opschaling van de technologie ondersteunt.
**Vooruitzichten**
Voor nu blijven de vooruitzichten voor MOCHI veelbelovend, net zoals het heldere uitzicht door een raam bedekt met dit materiaal. Het onderzoeksteam, bestaande uit meerdere postdoctorale onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van CU Boulder, heeft een belangrijke stap gezet richting energiezuinigere gebouwen. Als MOCHI succesvol kan worden opgeschaald voor massaproductie, zou het een significante bijdrage kunnen leveren aan het verminderen van het wereldwijde energieverbruik in de bouwsector.