Kühle Häuser, kühle Kleidung: Forscher entwickeln Meta-Emitter mit KI
Mit Meta-Emittern beschichtete Häuser können die Wärmeeinstrahlung der Sonne reflektieren und sie so passiv kühl halten. Eine KI ermittelt effektive Varianten.
(Bild: Eli Mordechai/Shutterstock.com)
Ein Wissenschaftsteam der University of Texas, der Shanghai Jiao Jong University, der National University of Singapore und der Umea University hat mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) komplexe dreidimensionale thermische Meta-Emitter entwickelt, die etwa auf Häusern oder Kleidung aufgebracht für passive Abkühlung sorgen können.
Die Forscher nutzten einen Ansatz des maschinellen Lernens, um rund 1500 verschiedene Materialien zu entwickeln, die in unterschiedlicher Art und Weise Wärme auf verschiedenen Ebenen abgeben können. Das Verfahren beschreiben die Wissenschaftler in der Studie "Ultrabroadband and band-selective thermal meta-emitters by machine learning", die in Nature erschienen ist. Diese Materialien sind prinzipiell dafür geeignet, damit beschichtete Objekte passiv kühlen zu können, indem sie die Wärme der Sonne reflektieren. Das kann zu erheblichen Energieeinsparungen führen, da mit Meta-Emittern beschichtete Häuser dann nicht mehr so energieintensiv mit Klimaanlagen gekühlt werden müssen.
Mit herkömmlichen Verfahren war die Entwicklung von Meta-Emittern eine langwierige Angelegenheit, die auf Trial-and-Error-Methoden basierte. Auch automatisierte Verfahren führten nicht zum Erfolg, da sie die komplexen 3D-Strukturen der Meta-Emitter nicht ausreichend herleiten können. Sie sind lediglich in der Lage, einfache Formen und dünne Schichten oder flache Muster zu erzeugen. Das habe oft zu weniger guten Designs geführt, die nicht wirksam genug waren.
Die nun entwickelte KI-basierte Methode habe dagegen zu einer Erweiterung des Designraumes geführt, sodass "Materialien mit überragender Leistung" hergestellt werden können, die "zuvor unvorstellbar waren".
Energieeinsparung durch Meta-Emitter
Aus den 1500 von der KI vorgeschlagenen Materialien wählten die Wissenschaftler die vier vielversprechendsten aus, um sie herzustellen und in der Praxis zu testen. Sie beschichteten damit ein Modellhaus. Die Verwendung von Meta-Transmittern gleicht in etwa dem Auftragen von Farben. Das Dach des Modellhauses war vier Stunden direkter Mittagssonne ausgesetzt und danach zwischen 5 und 20 °C kühler als Dächer, die ohne diese Beschichtung auskommen mussten.
Die Wissenschaftler rechnen vor, dass ein typisches Wohnhaus unter heißen klimatischen Bedingungen so pro Jahr etwa 15.800 kW an Strom für eine aktive Kühlung mit einer Klimaanlage einsparen und damit Kosten senken kann.
Die Meta-Emitter haben die Forscher in sieben Klassen eingeteilt, um sie besser nach ihren spezifischen Stärken und Schwächen unterschiedlichen Anwendungsbereichen zuordnen zu können.
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Einige dieser Meta-Emitter können etwa dafür eingesetzt werden, um in Großstädten die Temperaturen in der Sommerhitze zu senken, indem sie das Sonnenlicht von Gebäuden und Flächen reflektieren und Wärme in bestimmten Wellenlängen abgeben. Auch sei es möglich, sie für die Beschichtung von Kleidung zu verwenden, um ihre Träger kühler zu halten. Ähnliches gilt auch für Autos und etwa Raumfahrzeuge, die der Sonne ausgesetzt sind und kühl gehalten werden sollen.
Die KI zur Ermittlung von Meta-Emittern wollen die Wissenschaftler nun weiter optimieren, um noch effektivere Meta-Emitter erstellen zu können.
(olb)
