Het perfecte laagje op de ramen om het binnen koel te houden


Materialen Koelende raamcoatings maken het vaak donker in huis. Met een bijzondere computertechniek is nu een betere coating gevonden.

Een raamcoating kan warmtestraling uit zonlicht tegenhouden. Zodoende hoeft in de zomer de airco minder vaak aan.
Een raamcoating kan warmtestraling uit zonlicht tegenhouden. Zodoende hoeft in de zomer de airco minder vaak aan.

Foto Getty Images

De helft van de zonnestraling zien we niet, maar draagt wel bij aan warmte. Een raamcoating kan die straling tegenhouden zodat een gebouw minder opwarmt, maar lastig is dat een laagje dat dit goed kan vaak ook een deel van het zichtbare licht tegenhoudt.

Onderzoekers van de Kyung Hee universiteit in Zuid-Korea en de universiteit van Notre Dame in de Verenigde Staten hebben dankzij machine learning en een vorm van quantum computing een koelende laag weten samen te stellen die de gewenste straling beter tegenhoudt dan bestaande coatings, zonder het zicht te belemmeren. De coating zou het energieverbruik dat aan koeling wordt besteed in warme gebieden met 31 procent omlaag kunnen brengen.

20 procent van het totale elektriciteitsverbruik van gebouwen wereldwijd wordt besteed aan ‘actieve koeling’, voornamelijk met airconditioners. ‘Passieve’ koeling, met bijvoorbeeld stralingswerende raamcoatings of sterk reflecterende witte verf, zorgt dat gebouwen minder opwarmen en dragen dus bij aan energiebesparing.

Spelen met brekingsindex

Raamcoatings spelen met de verschillen in brekingsindex van licht op verschillende golflengtes. De ideale koelende coating reflecteert volledig het nabije-infraroodlicht. Tegelijkertijd laat het de fotonen van het zichtbare licht volledig door om het zicht niet te verstoren, en laat het fotonen van midden- en langegolf-infraroodlicht naar buiten om warmte te laten ontsnappen. Bestaande coatings die goed koelen maken het binnen vaak donkerder. Is de coating wel transparant, dan is het zonwerende effect minder.

De onderzoekers maakten verschillende versies van hun coating, met steeds vier materialen: siliciumdioxide (SiO2), siliciumnitride (Si3N4), aluminiumoxide (Al2O3) en titaniumdioxide (TiO2). Met die dataset hebben ze een model getraind, waarna het de optimale samenstelling van de coating berekende. De uiteindelijke coating bestaat uit tien laagjes, van tussen de 100 en 200 nanometer dik en op een specifieke volgorde.

Ten opzichte van ramen zonder coating zou met deze coating in een heet en droog klimaat 86 megajoule per vierkante meter per jaar bespaard kunnen worden, wat neerkomt op 31 procent van de energievraag voor koeling, berekenden de onderzoekers. Ze hebben dit niet geverifieerd met metingen.

Het loont als chemici meer gaan samenwerken met informatici

Albert Schenning TU Eindhoven

„De prestaties van de coating zijn echt heel goed, maar het bijzondere is vooral hoe ze tot deze samenstelling gekomen zijn”, zegt hoogleraar Albert Schenning, die aan de TU Eindhoven onderzoek doet aan responsieve functionele materialen. „Ze maken gebruik van machine learning en quantum computing. Er zijn heel veel parameters: wanneer moet je welk materiaal gebruiken, en hoe dik moet elke laag zijn, daar is quantum computing heel geschikt voor. Ze hebben deze samenstelling in iets meer dan twee minuten berekend. In het lab zou je hier jaren over doen.”

„Maar over de kostprijs van hun coating zeggen ze niks, en ik denk dat die hoog zal zijn”, zegt Schenning. „Het opdampen van de laagjes komt heel nauw, dat is een kostbaar proces. Maar de impact van dit onderzoek kan denk ik toch groot zijn. Dit is bijna geen chemie meer, het is wiskunde en informatica, en het laat zien dat het loont als chemici meer gaan samenwerken met informatici.”

Er zijn meer coatings die energieprestaties van gebouwen kunnen verbeteren. „In Nederland wil je in de winter juist het tegenovergestelde effect hebben”, zegt Stijn Kragt, die als promovendus bij de vakgroep van Schenning werkte aan zogenoemd ‘duo-folie’ en zijn onderzoek heeft voortgezet in het spin-offbedrijf ClimAd Technology. „We werken met vloeibare kristallen en polymeren die niet volledig zijn uitgehard. De laag moet kunnen reageren op de omstandigheden buiten. Bij warmte en veel licht reflecteert de laag zonlicht. Wordt het kouder, dan hervormt de laag om juist te isoleren.”

„We weten dat het kan, maar op dit moment zijn de prestaties nog verre van optimaal”, zegt Schenning. „Wij werken op de traditionele manier, in het lab, en dat duurt gewoon lang.”