EP4263452A1 - Passiver strahlungskühler - Google Patents

Passiver strahlungskühler

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Publication number
EP4263452A1
EP4263452A1 EP21830683.5A EP21830683A EP4263452A1 EP 4263452 A1 EP4263452 A1 EP 4263452A1 EP 21830683 A EP21830683 A EP 21830683A EP 4263452 A1 EP4263452 A1 EP 4263452A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
passive
cooler
emission layer
polymer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21830683.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Udayan Banik
Hosni Meddeb
Oleg Sergeev
Kai Gehrke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4263452A1 publication Critical patent/EP4263452A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/14—Solid materials, e.g. powdery or granular
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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    • C03C17/001—General methods for coating; Devices therefor
    • C03C17/002—General methods for coating; Devices therefor for flat glass, e.g. float glass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03C17/38—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with at least two coatings having different compositions at least one coating being a metal at least one coating being a coating of an organic material
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F25B23/003—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect using selective radiation effect
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    • C03C2217/00—Coatings on glass
    • C03C2217/70—Properties of coatings

Definitions

  • the present invention relates to a passive radiant cooler for cooling objects, in particular buildings.
  • Cooling of buildings today is performed using compression based cooling systems such as air conditioners. These cooling systems have a high energy consumption, dissipate energy in the form of heat to the building environment and require polluting coolants.
  • compression-based active cooling systems provides for the use of passive radiant coolers (in Engi.: passive daytime radiative cooling). These passive radiant coolers can be arranged in the form of panels on a building roof or serve as facade panels for building cladding. Cooling by such a passive radiation cooler is based on the fact that the passive radiation cooler on the one hand reflects part of the electromagnetic spectrum of incident solar radiation in a wavelength range of approximately 0.3 pm to 2.5 pm and can also emit heat in the form of infrared radiation.
  • the reflection of incoming solar radiation prevents the passive radiant cooler and thus the building from heating up.
  • the emission of infrared radiation and the resulting release of heat leads to cooling of the surface of the building provided with the passive radiant cooler and consequently also to cooling of the building itself.
  • the advantages of these passive radiant coolers are that they do not supply energy in the form of Electricity and no separate, environmentally harmful coolant required. In addition, these passive radiant coolers are largely maintenance-free.
  • the infrared radiation emitted can be in an electromagnetic wavelength range which is within at least one so-called atmospheric transmission window.
  • a first atmospheric transmission window lies, for example, in a wavelength range from approximately 8 pm to 13 pm.
  • Such a passive radiant cooler is disclosed, for example, in US 2017 314 878 A1.
  • This passive radiant cooler has a complex multi-layer system of stacked layers of different thicknesses, which alternately consist of magnesium fluoride (MgF?) or titanium dioxide (TiO?).
  • MgF magnesium fluoride
  • TiO titanium dioxide
  • This multilayer system suppresses the absorption of sunlight over the entire solar spectrum and emits infrared radiation in a wavelength range that corresponds to that of the first atmospheric transmission window.
  • This passive radiant cooler has the disadvantage that the production of the multi-layer system is complex and therefore expensive.
  • WO 2017 151 514 A1 discloses a passive radiation cooler with an emission layer which contains a transparent polymer such as polymethylpentene and a large number of dielectric particles such as silicon dioxide (SiO?) embedded in the polymethylpentene.
  • This emission layer is applied to an underlying metallic reflection layer.
  • the dielectric particles emit infrared radiation in the wavelength range corresponding to that of the first atmospheric transmission window, allowing heat to be released into cold space.
  • an additional protective layer made of polyethylene terephthalate is applied to the emission layer, which protects the emission layer from negative environmental influences.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a passive radiant cooler which has improved long-term stability and is easier to manufacture.
  • a passive radiation cooler having the features of independent patent claim 1 .
  • Advantageous configurations of this passive radiant cooler can be found in the dependent patent claims 2 to 21 .
  • a passive radiation cooler according to the invention comprises a layer structure which is applied to a substrate and comprises at least one reflection layer and at least one emission layer. This layer structure can be constructed in such a way that
  • the emission layer is applied to the substrate and the reflection layer to the emission layer.
  • the latter presupposes that the reflection layer applied to the emission layer is permeable at least to incident infrared radiation and/or infrared radiation emitted by the emission layer.
  • this emission layer contains an at least partially crosslinked polymer and/or a ceramic material derived from this polymer, which consists of at least one crosslinkable, silicon-based material to form the emission layer
  • Prepolymer are prepared, wherein the prepolymer is composed of at least one type of monomer units according to formula (I):
  • A is selected from the group formed by the elements nitrogen, carbon and boron of the periodic table of elements and a carbodiimide group.
  • the indices p1, p2, p3, p4, p5 and p6 are independently the numbers 0 or 1.
  • m1 and m2 are independently the numbers 0 or 1.
  • E is selected from the group formed by the elements oxygen and silicon of the periodic table of the elements.
  • D is the element boron of the periodic table of elements.
  • the groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are independently selected from the group formed by the element hydrogen of the periodic table of the elements, a linear saturated or branched saturated hydrocarbon group, a linear unsaturated or branched unsaturated hydrocarbon group, a functionalized linear or a functionalized branched hydrocarbon group, an unsaturated cyclic or a saturated cyclic hydrocarbon group, and a hydroxy group.
  • prepolymer is to be understood as meaning a macromolecule that is formed from a plurality of individual monomer units and serves as the starting material or educt for the at least partially crosslinked polymer that is formed and/or the ceramic material derived from this polymer.
  • the prepolymer can be composed either of a plurality of identical, ie one type of monomer units or of different, ie of several types of monomer units. In the latter case, the prepolymer is a so-called hybrid polymer whose different monomer units can have, for example, the same polymer backbone with groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and/or R 6 differing from one another.
  • the prepolymer is in particular a polysilazane, a polysilylcarbodiimide, a polyborosilazane, a polyborosilane, a polyborosiloxane or a polycarbosilane, the monomer units of which have the general structural formulas listed in the table below:
  • the emission layer can also be produced from two or more structurally different prepolymers according to formula (I).
  • the at least partially crosslinked polymer is a copolymer.
  • crosslinking means the formation of covalent polymer bridge bonds within a polymer chain or between two polymer chains, as a result of which a three-dimensional polymer network can be formed.
  • the at least partial crosslinking of the prepolymer in the emission layer to be formed can be achieved either by passive drying of the prepolymer at room temperature or by thermal treatment at temperatures above room temperature over a defined period of time. This thermal treatment preferably takes place in a temperature range between 0.degree. C. and 2000.degree.
  • the degree of crosslinking ie the number of covalent polymer bridge bonds formed within the polymer chains or between the polymer chains of the prepolymer, is dependent on the selected drying process. temperature, drying time and/or the molecular structure of the prepolymer.
  • Crosslinking of the prepolymer during manufacture of the polymer can result in partial or even complete crosslinking of the prepolymer.
  • the at least partially crosslinked polymer is produced from the crosslinkable, silicon-based prepolymer in the emission layer that forms, ie on the reflection layer or the substrate.
  • the passive drying or the thermal treatment of the prepolymer is carried out in an oxygen, air or nitrogen atmosphere, then air, oxygen (O2) and/or nitrogen (N2) are stored in the emission layer.
  • the oxygen (O2) can react with the prepolymer during the passive drying or the thermal treatment and be involved in the formation of the covalent polymer bridge bonds, so that Si-O-Si polymer bridge bonds can be formed, for example.
  • the formation of the three-dimensional polymer network and thus the emission layer means that the emission layer is at least partially or even completely permeable or transparent to incident solar radiation, so that the solar radiation can penetrate the emission layer. At least a portion of the electromagnetic spectrum of the incident solar radiation is reflected on and/or within the reflection layer. As a result, the passive radiant cooler and the object on which the passive radiant cooler can be applied do not heat up unnecessarily.
  • the wording “at least a portion of the electromagnetic spectrum of the incident solar radiation” means that not all incident solar radiation has to be reflected by the reflection layer.
  • a portion of the electromagnetic spectrum of the incident solar radiation in the infrared radiation wavelength range that is not reflected by the reflection layer can be absorbed by the emission layer and re-emitted.
  • the Si-A, AE, ED and/or D-Si bonds contained in a polymer backbone of the at least partially crosslinked polymer of the emission layer and/or the covalent polymer bridge bonds formed can be excited to vibrate by absorption of infrared radiation and/or by heat whereupon the vibrational energy is at least partially re-emitted as infrared radiation.
  • This emission of Infrared radiation and reflection of solar radiation have the advantage that the passive radiant cooler can cool an object without the supply of energy.
  • the layer structure of the passive radiant cooler is so stable that an additional protective layer is not absolutely necessary in order to ensure sufficient long-term stability against environmental influences. Further advantages consist in the simple construction of the layered structure of the passive radiant cooler and the large number of possible substrates or objects on which the passive radiant cooler can be applied for cooling.
  • the thermal treatment of the crosslinkable, silicon-based prepolymer is carried out at high temperatures, for example at temperatures above 500° C.
  • the previously described formation of the three-dimensional polymer network of the at least partially crosslinked polymer takes place first.
  • an at least partially thermally induced decomposition of this polymer into the ceramic material derived from this polymer in Engi, polymer derived ceramics (abbr.: PDC)
  • PDC polymer derived ceramics
  • This decomposition can take place via molecular restructuring, condensation reactions and/or free-radical chain reactions of the at least partially crosslinked polymer.
  • the polymer-derived ceramic material can have, for example, the composition of silicon carbide (SiC), silicon oxycarbide (SiO x C y ), silicon nitride (SiaN.*), silicon carbonitride (Si 3+ xN 4 Cx + y), or silicon oxynitride (SiO x N y ).
  • SiC silicon carbide
  • SiO x C y silicon nitride
  • SiaN.* silicon carbonitride
  • Si 3+ xN 4 Cx + y silicon oxynitride
  • SiO x N y silicon oxynitride
  • the emission layer containing this ceramic material is also transparent in the first spectral wavelength range.
  • the reflection layer can be applied in a desired layer thickness to the substrate or the emission layer using an electron beam evaporator (e-beam deposition process), by sputtering, by chemical vapor deposition or by electroplating (Engl .: electroplating) are applied.
  • the substrate or the substrate coated with the reflection layer can be coated with a prepolymer solution by dip coating using a dip coater.
  • the substrate or the substrate coated with the reflective layer is slowly immersed in the prepolymer solution and, after a defined period of time, pulled out of the solution again at a defined speed.
  • the thickness of the liquid prepolymer layer and thus also the thickness of the emission layer to be produced is dependent on the speed at which the substrate coated with the reflection layer is pulled out of the solution again.
  • the emission layer by means of spray coating (Engl .: spray-coating), by a sol-gel process, by spin coating (Engl .: spin coating), plasma-enhanced chemical vapor deposition (Engl .: chemical vapor deposition) or by Squeegees (Engi .: doctor-blading) are applied to the substrate or the substrate coated with the reflection layer.
  • the still liquid prepolymer layer is then either passive at room temperature, i.e. without external intervention, or by thermal treatment in a drying cabinet in a temperature range between 0 °C and 2000 °C, preferably between 25 °C and 600 °C and particularly preferably between 100 °C and 300 °C and dried over a defined period of time.
  • the at least partial crosslinking of the still liquid prepolymer layer and/or the decomposition into the ceramic material by means of a treatment
  • radiation in particular with vacuum ultraviolet radiation, ultraviolet radiation, visible radiation, infrared radiation or X-ray radiation;
  • the passive radiation cooler according to the invention has the advantage over the multi-layer system known from the prior art that only two layers, namely the reflection layer and the emission layer, are required to prevent the reflection of a sub-range of the electromagnetic spectrum of the incident solar radiation with simultaneous emission of infrared radiation and the to allow the heat to be released as a result. This significantly simplifies the manufacturability of the passive radiant cooler and is less expensive.
  • linear saturated or branched saturated hydrocarbon group includes hydrocarbon groups having one or more carbon atoms. These include, in particular, methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, isobutyl, tert-butyl, n-pentyl, isopentyl, 2,2-dimethylpropyl, n-hexyl, isohexyl , 2-ethylhexyl, n-heptyl, iso-heptyl, n-octyl, iso-octyl, n-nonyl, n-decyl and the like.
  • linear unsaturated or branched unsaturated hydrocarbon group includes unsaturated linear or unsaturated branched hydrocarbon groups having two or more carbon atoms, the hydrocarbon groups having at least one C-C double bond and/or at least one C-C triple bond.
  • the term “functionalized linear or functionalized branched hydrocarbon group” encompasses functionalized linear or functionalized branched hydrocarbon groups having one or more carbon atoms and having at least one functional group.
  • This functional group is selected from the group formed is composed of a hydroxy group (-OH), an amine group (-NR2) and the elements chlorine (-Cl), bromine (-Br) and iodine (-I). If the functionalized linear or functionalized branched hydrocarbon group has at least two or more carbon atoms, this hydrocarbon group can have at least one CC double bond and/or at least one CC triple bond.
  • the term “unsaturated cyclic hydrocarbon group or a saturated cyclic hydrocarbon group” includes cyclic, saturated hydrocarbon groups or cyclic, unsaturated hydrocarbon groups having at least three carbon atoms, the cyclic, unsaturated hydrocarbon groups containing at least one C-C double bond. This includes cyclopropyl, cyclobutyl, cyclobutenyl, cyclopentyl, cyclopentenyl, phenyl, cyclohexyl, cyclohexenyl, aryl and the like. These unsaturated cyclic hydrocarbon groups and saturated cyclic hydrocarbon groups may also contain at least one of the aforementioned functional groups.
  • this reflective layer can optimally reflect at least part of the electromagnetic spectrum of the incident solar radiation, this reflective layer can have a reflectivity of 0.60 to 1.00, preferably 0.90, in a first spectral wavelength range.
  • R(A) is the spectral reflectance of the reflective layer or sample measured with a UV-VIS-NIR spectrometer became.
  • This UV-VIS-NIR spectrometer is the "Cary 500" model from Agilent Technologies, Inc. from the USA. However, any other UV-VIS-NIR spectrometer can also be used for this measurement.
  • T(A) corresponds to the transmission of the reflective layer, which has the value 0 since the reflective layer is impermeable or opaque.
  • the first spectral wavelength range which corresponds to the portion of the electromagnetic spectrum of the incident solar radiation that can be reflected by the reflection layer, is between 200 nm and 3000 nm, preferably between 300 nm and 2500 nm. The reflection in this spectral wavelength range can prevent unnecessary heating of the passive radiant cooler can be prevented.
  • the reflection layer is made of a metal selected from the group formed by silver (Ag), aluminum (Al), rhodium (Rh) and magnesium (Mg). Studies have shown that the metals rhodium, silver and magnesium have very good reflection properties.
  • the reflection layer can also be made of a metal alloy such as steel, an aluminum-magnesium alloy or an aluminum-zinc alloy or of a metal oxide selected from the group formed by titanium dioxide in the form of TiO? and TiO x and barium sulfate (BaSOzi). Titanium dioxide in the form of TiO? and TiO x has the advantage that it can be brushed or sprayed onto the substrate like a wall paint.
  • the reflection layer is formed from a polymer, in particular a microporous polymer.
  • This polymer can be a polymer based on tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer or polytetrafluoroethylene.
  • the reflection layer can have a layer thickness in the range from 20 nm to 1 mm, preferably 50 nm to 2 ⁇ m, more preferably from 100 nm to 500 nm, particularly preferably 180 nm.
  • This layer thickness can be determined with a profilometer or with a scanning electron microscope. Layer thicknesses used in the case of the present invention were determined using a Vecco Instruments Inc. Dektak 150 profilometer. This achieves optimal reflection and long-term stability of the reflective layer can be, the layer thickness can be selected depending on the material used for the reflection layer.
  • the passive radiant cooler can also have a plurality of reflective layers of the same or different materials arranged one on top of the other (multilayer structures).
  • the emission layer is arranged either on the uppermost of these reflection layers or between these reflection layers and the substrate.
  • the layer thicknesses and/or a refractive index of the individual reflective layers arranged one above the other are preferably selected such that the reflective layers reflect the incident radiation in the first electromagnetic spectral wavelength range. This is preferably a so-called dielectric mirror.
  • Such multilayer reflection layers can be formed from metal oxides or polymers, for example.
  • An example of such multi-layer reflection layers is the commercially available 3MTM Enhanced Specular Reflector (abbr.: 3M ESR) from 3M, USA, which consists of several Ren polymer layers is formed. 3M ESR has very good reflection properties.
  • the reflection layer contains at least one additive.
  • This additive can be a pigment or a dye. If the reflective layer is made of a polymer, then the additive is embedded in the polymer. The embedding of this additive in the reflective layer causes a further part of the electromagnetic spectrum of the incident solar radiation to be absorbed by the pigment or dye and re-emitted, with the radiation emitted by the pigment or dye being in the visible region of the electromagnetic spectrum and is colored. This further part of the electromagnetic spectrum of the incident solar radiation is preferably in a wavelength range between 200 nm and 1000 nm.
  • the embedding of the pigment or the dye has the advantage that the passive radiation cooler appears colored as a result. This allows the color of the passive radiant cooler to be matched to the color of the object to which it is applied.
  • the emission layer has an emissivity in the range from 0.50 to 1.00, preferably from 0.70 to 0.95, particularly preferably 0.87, in a second electromagnetic spectral wavelength range.
  • This second electromagnetic spectral wavelength range is preferably in the range from 7 pm to 14 pm, particularly preferably in the range from 8 pm to 13 pm.
  • the emission layer can have an emissivity in the range from 0.20 to 1.00, preferably from 0.25 to 0.90, particularly preferably 0.30.
  • the third electromagnetic spectral wavelength range is preferably in a range from 16 pm to 26 pm, particularly preferably in a range from 20 pm to 25 pm.
  • the respective emissivity E in the second and third electromagnetic spectral wavelength range was calculated with the following equation (C):
  • R(A) is the spectral reflectance of the reflective layer or sample measured with an FTIR spectrometer model “Vertex 80V” manufactured by Bruker GmbH of Germany or with an FTIR spectrometer with the model designation "Spectrum 400 Series" from the company PerkinElmer, Inc. from the USA was measured.
  • T(A) corresponds to the transmission of the reflective layer, which has the value 0 since the reflective layer is impermeable or opaque.
  • E(A)biackbody corresponds to the spectral intensity of a blackbody at a temperature of 300 K.
  • the value 8 pm and the value 14 pm can be used for A2.
  • the value 20 pm can be used for Ai and the value 25 pm for A2 in the aforementioned equation (C).
  • the prepolymer according to formula (I) is a polysilazane.
  • A is the element nitrogen and p1 is the number 1 in the formula (I).
  • p2, m1 , p3, p4, m2, p5 and p6 are the number 0.
  • This polysilazane is composed of one kind of monomer units represented by the following formula (IV):
  • a in the formula (I) is the element nitrogen, p1 is the number
  • the prepolymer can also be composed of two types of monomer units according to the following formulas (II) and (III):
  • This prepolymer is a polysilazane in the form of a hybrid polymer.
  • the monomer units according to the formulas (II) and (III) are preferably evenly distributed in this hybrid polymer, depending on their respective proportions y and z.
  • a prepolymer which is made up of the two monomer units of the formulas (II) and (III) and in which y is 0.8 and z is 0.2 is available under the brand name “Durazane 1800” from Merck KGaA Germany available for purchase.
  • the aforementioned polysilazanes having the monomer units represented by the formulas (II), (III), (IV), (V) and (VI) have a Si-N polymer backbone.
  • the Si-N-Si bonds present in the polymer backbone can be excited to vibrate by absorption of infrared radiation and/or by heat, whereupon the vibrational energy is re-emitted, at least in part, as infrared radiation having a wavelength of about 11 pm.
  • This infrared radiation lies in the first atmospheric transmission window and is therefore not or only hardly absorbed by the earth's atmosphere, but rather emitted directly into cold space.
  • the passive radiant cooler can emit heat in the form of infrared radiation to cold space without the earth's atmosphere heating up.
  • the polymer of the emission layer is made from a prepolymer with two types of monomer units according to the formulas (II) and (III), then covalent Si-CH2-CH2-Si polymer bridge bonds can form between the polysilazanes.
  • These covalent Si-CH2-CH2-Si polymer bridge bonds can be excited to vibrate by absorption of infrared radiation, whereupon the vibrational energy is at least partially re-emitted as infrared radiation having a wavelength of approximately 12.5 pm.
  • oxygen (O2) can react with the prepolymer and/or the polymer and participate in the formation of the polymer covalent bonds, leading to the formation of Si-O-Si covalent polymer bonds can come.
  • These covalent Si-O-Si polymer bridge bonds can also be excited to vibrate by absorbing infrared radiation, whereupon the vibrational energy is at least partially re-emitted as infrared radiation in a wavelength range of approximately 7.5 pm to 10.5 pm. This infrared radiation is also in the first atmospheric transmission window and is thus emitted directly into cold space.
  • the crosslinkable, silicon-based prepolymer can also be a polycarbosilane.
  • polycarbosilanes Compared to polysiloxanes and polycarbosiloxanes, polycarbosilanes have the advantage that the polymer backbone of the polycarbosilanes, which consists of Si—C bonds, is significantly more stable to nucleophilic attack by water, for example, than the Si—O bonds of the polysiloxanes and polycarbosiloxanes.
  • An emission layer that contains an at least partially crosslinked polymer that is produced from the polycarbosilane to form the emission layer is therefore significantly more stable than an emission layer based on a polysiloxane or polycarbosiloxane.
  • polycarbosilanes have very good heat stability. Such polycarbosilanes can be produced as described in the following scientific publications:
  • crosslinkable, silicon-based prepolymer can also be a polyborosiloxane.
  • the production of such polyborosiloxanes is evident from US4824730A and US4405687A.
  • the emission layer is microstructured.
  • the emission layer can be microstructured by means of nano-embossing lithography, by stamping or by laser inscription.
  • the above-mentioned crosslinking of the prepolymer during production of the polymer can result in a volume reduction of the emission layer.
  • This reduction in volume which is also referred to as polymer shrinkage, is caused, among other things, by the reduction in the distance between adjacent polymer strands during crosslinking or the formation of covalent polymer bridge bonds. This shrinkage can lead to the formation of cracks in the emissive layer containing or formed from the polymer.
  • the layer thickness of the emission layer should not exceed a critical layer thickness, depending on the polymer used.
  • the emission layer contains at least one filler which is embedded in the at least partially crosslinked polymer.
  • This filler is preferably selected from the group formed by silicon dioxide (SiO?), titanium dioxide (TiO?), barium sulfate (BaSCh), aluminum oxide (AI2O3), boron nitride (BN), polytetrafluoroethylene (PTFE), zirconium oxide (ZrO?) , magnesium oxide (MgO) and cerium oxide (CeC ).
  • the emissive layer can also contain a mixture of these fillers.
  • the filler can be in the form of nanoparticles and/or microparticles. In addition to increased long-term stability, these fillers can also impart other properties to the emission layer. For example, nanoparticles or microparticles made of silicon dioxide (SiO2), aluminum oxide (AI2O3) or titanium dioxide (TiÜ2) can also emit infrared radiation and thus contribute to passive cooling.
  • the emission layer has a layer thickness in the range from 0.1 ⁇ m to 600 ⁇ m, preferably from 0.5 ⁇ m to 20.0 ⁇ m, more preferably from 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, particularly preferably from 2 up to 6 pm.
  • the filler described above can be added to the emission layer.
  • a further advantage of the reflection layer and the emission layer is that they can be applied both to solid, inflexible surfaces such as the glass substrate or to flexible surfaces such as a film. This significantly increases the possible uses of the passive radiant cooler.
  • the substrate is therefore a glass substrate, a silicon wafer, a flexible foil, in particular a metal foil or a ceramic foil, a metal sheet or a ceramic plate.
  • the metal foil and the metal sheet can be made of aluminum or copper, for example. The use of the metal foil or metal sheet enables high thermal conductivity between the object on which the passive radiant cooler can be applied and the passive radiant cooler, whereby the heat can be dissipated by emitting infrared radiation.
  • an intermediate layer can be arranged either between the substrate and the reflection layer or between the substrate and the emission layer.
  • This intermediate layer can be made of silicon dioxide (SiO?), germanium (Ge), chromium (Cr), titanium (Ti), a transparent, conductive oxide, in particular zinc oxide (ZnO) and doped variants of zinc oxide (AI:ZnO, Ga:ZnO) , an inorganic oxide or the like.
  • the intermediate layer can improve the adhesion of the reflection layer or the emission layer on the substrate and/or prevent a reaction and/or mixing of the material of the reflection layer or the emission layer with the material of the substrate.
  • a metal foil made of aluminum is used as the substrate and a metallic reflection layer made of silver, for example, is applied to it, a mixture of silver and aluminum atoms can occur at the silver-aluminium interface, which can influence the reflection properties of the reflection layer.
  • This mixing of silver and aluminum atoms can be prevented by an intermediate layer made of, for example, silicon dioxide.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 3 shows the extinction of electromagnetic radiation in the range from 4,000 cm -1 to 500 cm' 1 through an emission layer
  • FIG. 4 shows the absorption coefficient of the emission layer and the radiation power of solar radiation, each as a function of the wavelength
  • FIG. 5 shows the atmospheric transmissivity and the emissivity of the first exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 from FIG. 1, each as a function of the wavelength;
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of the passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 7 shows a fourth exemplary embodiment of the passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 8 shows a fifth exemplary embodiment of the passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 9 shows a sixth exemplary embodiment of the passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 10 shows a seventh exemplary embodiment of the passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 11 shows an eighth exemplary embodiment of the passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 12 shows a ninth exemplary embodiment of the passive radiant cooler in a schematic side view
  • FIG. 13 shows a tenth exemplary embodiment of the passive radiation cooler in a schematic side view
  • FIG. 14 shows a building in the form of a high-rise building in a schematic perspective representation
  • FIG. 15 shows the cooling by a passive radiation cooler as part of an outdoor experiment.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a passive radiation cooler 1 in a schematic side view.
  • This radiation cooler 1 comprises a reflection layer 3 applied to a substrate 2 and an emission layer 4 applied to the reflection layer 3.
  • the substrate 2 is a glass substrate.
  • the reflection layer 3 applied to the glass substrate 2 is made of silver (Ag) and has a layer thickness of 300 nm.
  • the emission layer 4 applied to the reflective layer 3 comprises a partially crosslinked polymer made of the crosslinkable silicon-based prepolymer composed of two kinds of monomer units represented by the formulas (II) and (III), where y is 0 ,8 and z is 0.2 in the formulas (II) and (III).
  • This prepolymer in the form of a polysilazane can be purchased under the brand name “Durazane 1800” from Merck KGAA of Germany.
  • the emission layer has a layer thickness of 3 ⁇ m.
  • the procedure for producing the first exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 is as follows:
  • the reflection layer 3 made of silver is applied to the glass substrate 2 with a layer thickness of 300 nm using an electron beam evaporator (DREVA LAB 450, VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH, Germany).
  • the crosslinkable, silicon-based prepolymer which is composed of two types of monomer units according to the formulas (II) and (III), wherein y is 0.8 and z is 0.2, with the Di-n-butyl ether solvent is mixed to form a liquid solution containing 50 percent by weight (wt%) of the prepolymer.
  • the glass substrate 2 coated with the reflective layer 3 made of silver is coated with the solution produced in the second process step using a dip coater manufactured by the applicant.
  • the glass substrate 2 coated with the reflective layer 3 made of silver is slowly immersed in a trough of the dip coater filled with the solution, which is coated with the reflective layer 3 silver-coated glass substrate 2 is held in the trough for a defined period of 10 seconds, so that the silver-coated glass substrate 2 with the reflective layer 3 is surrounded by the solution.
  • the glass substrate 2 coated with the solution and the silver reflection layer 3 is slowly withdrawn from the trough of the dip coater at a speed of 0.5 m/min.
  • the glass substrate coated with the liquid layer of the prepolymer and the reflection layer 3 is dried for one hour in an air atmosphere at a temperature of 180° C. in a drying cabinet.
  • This thermal treatment leads to crosslinking of the prepolymer with simultaneous evaporation of the di-n-butyl ether solvent, as a result of which covalent polymer bridge bonds are formed between individual polysilazane molecules and also within a polysilazane molecule.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 in a schematic side view.
  • This second exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 differs from the first exemplary embodiment from FIG. 1 in that the substrate 2 is an aluminum sheet (Alanod GmbH & Co. KG, Germany) with a thickness of 0.04 cm. This aluminum sheet has good thermal conductivity. Another difference is that the reflection layer 3 has a layer thickness of 230 nm.
  • FIG. 3 shows a diagram in which the extinction of electromagnetic radiation in the range from 4,000 cm -1 to 500 cm -1 through the emission layer 4 is shown.
  • This emission layer 4 comprises the at least partially wetted polymer made from the previously described polysilazane called "Durazane 1800" to form the emission layer 4 and applied directly to a substrate 2 in the form of a silicon wafer, i.e. without a reflection layer 3 arranged between the emission layer 4 and the substrate 2 (so-called PSZ coated silicon wafer).
  • This layer structure serves to analyze the extinction properties of the emission layer 4 . Peaks or local maxima in the spectrum indicate the extinction that is caused, among other things, by absorption of infrared radiation by covalent bonds in the partially crosslinked polymer of emission layer 4 .
  • This infrared radiation is absorbed either by a polymer backbone Si-N-Si of the polymer, by covalent polymer bonds Si-O-Si or by other covalent bonds NH, CH, Si-H and Si-CHa. This absorption of infrared radiation stimulates the respective bonds to vibrate. In Figure 3, each peak is labeled with the associated vibration.
  • FIG. 4 shows a diagram in which the insolation power of solar radiation is shown as a function of the wavelength (dashed line; denoted as AM1.5G insolation power).
  • the absorption coefficient of the second exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 from FIG. 2 is also shown as a function of the wavelength (solid line, referred to as absorption factor of PSZ-coated sample).
  • the wavelength range between 300 nm and 2,500 nm shown in the diagram corresponds to the first electromagnetic spectral wavelength range.
  • This diagram shows that the emission layer 4 absorbs solar radiation only to a very small extent in this first spectral wavelength range. This is because the emission layer 4 is transparent in this first spectral wave range.
  • This diagram was recorded using a UV-VIS-NIR spectrometer (Cary 500, Agilent Technologies, Inc., USA).
  • Figure 5 is a graph showing atmospheric transmissivity as a function of wavelength (dotted line labeled atmospheric transmissivity).
  • the emissivity of the second exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 from FIG. 2 (continuous line, referred to as PSZ-coated substrate (with Ag reflector)) is shown in the same diagram as a function of the wavelength.
  • the atmospheric transmissivity corresponds to the permeability of the earth's atmosphere for electromagnetic radiation lung.
  • the earth's atmosphere has two atmospheric transmission windows.
  • a first transmission window is in the second electromagnetic spectral wave range between 8 pm and 14 pm.
  • the earth's atmosphere is also transparent to infrared radiation between approximately 16 pm and 25 pm.
  • infrared radiation emitted by the emission layer 4 can be emitted into cold space without the earth's atmosphere being heated in the process.
  • the emission layer 4 of the second exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 emits infrared radiation in the second electromagnetic spectral wavelength range between 8 pm and 14 pm and in a third electromagnetic spectral wavelength range between 20 pm and 25 pm.
  • These second and third electromagnetic spectral wavelength ranges lie within the first and second atmospheric transmission windows, respectively.
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1.
  • This third exemplary embodiment differs from the first exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 shown in FIG. 1 in that the emission layer 4 is microstructured. This microstructuring of the emission layer 4 was applied to the reflection layer 3 by stamping.
  • FIG. 7 shows a fourth exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1.
  • This fourth exemplary embodiment differs from the second exemplary embodiment shown in FIG. 2 in that the emission layer 4 is formed from a partially crosslinked polymer made from a crosslinkable polycarbosilane.
  • This emission layer 4 made of polycarbosilane has a layer thickness of 4 ⁇ m.
  • FIG. 8 shows a fifth exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1.
  • This fifth exemplary embodiment differs from the fourth exemplary embodiment of the passive radiation cooler shown in FIG. 7 in that an intermediate layer 5 made of silicon oxide (SiO?) is arranged between the substrate 2 and the reflection layer 3.
  • This intermediate layer 5 can prevent the mixing of silver and aluminum atoms at an interface between the substrate 2 and the reflection layer 3 .
  • FIG. 9 shows a sixth exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 in a schematic side view.
  • This sixth exemplary embodiment differs from the fifth exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 from FIG. 8 in that the emission layer 4 contains a filler 6 which is embedded in the partially crosslinked polymer and is in the form of silicon dioxide particles (SiC).
  • silicon dioxide particles are in the form of microparticles with a diameter of 10 ⁇ m ⁇ 5 ⁇ m. They serve to prevent cracking in the emission layer 4 when the critical layer thickness is exceeded. Because of this, the emission layer 4 in the sixth exemplary embodiment has a greater layer thickness than the emission layer 4 shown in the second exemplary embodiment, namely 60 ⁇ m. These silicon dioxide particles are also able to emit heat in the form of infrared radiation.
  • FIG. 10 shows a seventh exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 in a schematic side view.
  • This seventh exemplary embodiment differs from the second exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 shown in FIG. 2 in that the reflection layer 5 is made of tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer and contains an additive 7 that is a pigment.
  • This pigment 7 is embedded in the reflection layer 5 in the form of nanoparticles.
  • the embedding of this pigment 7 in the reflective layer 5 means that a portion of the first spectral wavelength range of the incident solar radiation is not reflected by the reflective layer 5, but rather is absorbed by the pigment.
  • the pigment 7 emits electromagnetic radiation in the visible range of the electromagnetic spectrum, so that the reflection layer 5 is colored.
  • the embedding of the pigment 7 in the reflection layer 5 has the advantage that the passive radiation cooler 1 appears colored as a result. This allows the color of the passive radiant cooler 1 to be matched to the color of the object on which it is to be attached.
  • Figure 1 1 shows an eighth embodiment of the passive radiation cooler 1 in a schematic side view.
  • This eighth exemplary embodiment differs from the first exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 shown in FIG. 1 in that the passive radiation cooler 1 has several re, stacked reflection layers 31, 32, 33, 34 comprises a dielectric material.
  • the layer thicknesses of the individual reflection layers 31, 32, 33, 34 arranged one above the other are chosen such that the reflection layers 31, 32, 33, 34 reflect the incident radiation in the first electromagnetic spectral wavelength range.
  • FIG. 12 shows a ninth exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 in a schematic side view.
  • This ninth exemplary embodiment differs from the first exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 shown in FIG. 1 in that the substrate 2 is a metal sheet made of copper with a thickness of 0.2 cm.
  • the reflection layer 2 includes titanium dioxide in the form of TiOs
  • FIG. 13 shows a tenth exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 in a schematic side view. This tenth exemplary embodiment differs from the eighth exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 shown in FIG of the emission layer 4 are arranged.
  • FIG. 14 shows a building 9 in the form of a high-rise building in a schematic perspective representation.
  • the second exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 from Figure 2 is arranged on a building roof 10 of this building 9 and is used to cool the building 9.
  • the cooling by the passive radiation cooler 1 is based on the passive radiation cooler 1 on the one hand absorbing incident solar radiation in the first electromagnetic spectral wavelength range reflect and additionally emit heat in the form of infrared radiation in the second and third spectral wavelength range.
  • the reflection of incident solar radiation prevents the passive radiant cooler 1 and thereby the building 9 from heating up.
  • the emission of infrared radiation and the resulting release of heat leads to a cooling of the building roof 10 provided with the passive radiant cooler 1 and consequently also to a cooling of the building 9 itself.
  • FIG. 15 shows a diagram that shows the cooling of the building 9 as an example using an outdoor experiment.
  • a simple uncovered Petri dish was covered with a thin polyethylene (PE) kitchen sheet 13 ⁇ m thick, which served as a convective barrier.
  • the PE kitchen foil ensures limited convection losses between a sample to be examined placed in the Petri dish and the atmosphere outside the Petri dish.
  • the sample inside the was fixed to a small styrofoam block with a small piece of double-sided tape to ensure minimal convection losses.
  • the sample is the second exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 from FIG. 2.
  • a first calibrated class A Pt100 sensor with a 4-wire configuration [Heraeus Nexensos M222, Kleinostheim, Germany] was used to carry out continuous outside temperature measurements , also called Pt100 temperature sensor.
  • the first Pt100 sensor was placed between the styrofoam block and the sample.
  • some thermal compound was applied between the first Pt100 sensor and the sample.
  • the ambient temperature was measured by a second Pt100 sensor that was placed freely hanging next to the sample in the Petri dish.
  • the Pt100 sensors were connected to an Agilent 34972A LXI data acquisition unit, which reads the temperature every 5 seconds.
  • the data acquisition unit was connected to a laptop running a Python script to collect and store the measured temperature from all sensors.
  • the petri dish was then secured to an inverted glass beaker, ie, to the bottom of the inverted glass beaker, with double-sided adhesive tapes to keep it off any surface.
  • the petri dish was arranged so that its bottom was oriented parallel to the sky, without any solar tracking, shielding, or radiating fixtures.
  • Several measurements were carried out on a building roof of the German Aerospace Center (DLR), Institute for Networked Energy Systems (N53°09'05.1 "E8°10'01 .1 ”) on October 10, 2020. A clean and clear sky day was chosen for the continuous temperature measurements.
  • DLR German Aerospace Center
  • N53°09'05.1 Institute for Networked Energy Systems
  • the global horizontal solar irradiance was collected by a pyranometer from DLR's permanent weather station, located 166 m from where we used the present open-air experiment was carried out.
  • the diagram from FIG. 15 shows the ambient temperature measured by the second Pt1 OO sensor as a function of the time during the field experiment (thick dotted line, denoted as ambient temperature).
  • this diagram shows the sample temperature of the sample measured by the first Pt100 sensor as a function of the time during the field experiment (dash-dot line, referred to as sample temperature).
  • the diagram shows the irradiance of the solar radiation as a function of time during the field experiment (thin dotted line, denoted as solar irradiance).
  • the difference between the ambient temperature and the sample temperature is also shown in the diagram as a function of the time during the field experiment (solid line, referred to as temperature difference) and makes it clear that the sample, i.e. the second exemplary embodiment of the passive radiant cooler 1 from Figure 2, has an average temperature of 5 °C colder than the surrounding area. At its maximum, the sample, ie the second exemplary embodiment of the passive radiation cooler 1 from FIG. 2, had a maximum temperature of 6.8° C. lower than the environment.

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Abstract

Passiver Strahlungskühler (1) mit einem Substrat und einer auf dem Substrat (2) aufgebrachten Schichtstruktur, die zumindest eine Reflexionsschicht (3) und zumindest eine Emissionsschicht (4) umfasst, wobei die Emissionsschicht (4) ein zumindest teilweise vernetztes Polymer und/oder ein von diesem Polymer abgeleitetes keramisches Material umfasst, welche zur Ausbildung der Emissionsschicht (4) aus zumindest einem vernetzbaren, Silizium-basierten Prepolymer hergestellt sind, wobei das Prepolymer aus zumindest einer Art von Monomereinheiten nach Formel (I) zusammengesetzt ist: Formel (I))

Description

Passiver Strahlunqskühler
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen passiven Strahlungskühler zur Kühlung von Objekten, insbesondere von Gebäuden.
Die Kühlung von Gebäuden wird heutzutage unter Verwendung von kompressionsbasierten Kühlungssystemen wie beispielsweise Klimaanlagen durchgeführt. Diese Kühlungssysteme haben einen hohen Energieverbrauch, führen Energie in Form von Wärme an die Gebäudeumgebung ab und benötigen umweltbelastende Kühlmittel. Eine Weiterentwicklung dieser kompressionsbasierten aktiven Kühlungssysteme sieht die Verwendung von passiven Strahlungskühlern vor (in Engi.: passive daytime radiative cooling). Diese passiven Strahlungskühler können in Form von Platten auf einem Gebäudedach angeordnet werden oder als Fassadenplatten zur Gebäudeverkleidung dienen. Die Kühlung durch einen solchen passiven Strahlungskühler basiert darauf, dass der passive Strahlungskühler einerseits einen Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums von einfallender Sonnenstrahlung in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 0,3 pm bis 2,5 pm reflektieren und zusätzlich Wärme in Form von Infrarotstrahlung emittieren kann. Die Reflexion von einfallender Sonnenstrahlung verhindert, dass sich der passive Strahlungskühler und dadurch das Gebäude aufheizt. Die Emission von Infrarotstrahlung und die dadurch verursachte Abgabe von Wärme führt zu einer Kühlung der mit dem passiven Strahlungskühler versehenen Oberfläche des Gebäudes und folglich auch zu einer Kühlung des Gebäudes selbst. Vorteile dieser passiven Strahlungskühler bestehen darin, dass sie keine Zufuhr von Energie in Form von Elektrizität und auch kein separates, umweltbelastendes Kühlmittel benötigen. Zudem sind diese passiven Strahlungskühler weitestgehend wartungsfrei. Die emittierte Infrarotstrahlung kann in einem elektromagnetischen Wellenlängenbereich liegen, der innerhalb von zumindest einem sogenannten atmosphärischen Transmissionsfenster (in Engl.: atmospheric transmission window) liegt. Innerhalb dieses atmosphärischen Transmissionsfensters ist die Absorption der von dem passiven Strahlungskühler emittierten Strahlung durch die Erdatmosphäre gering, sodass die emittierte Infrarotstrahlung in das kalte Weltall abgestrahlt werden kann ohne dabei die Erdatmosphäre aufzuwärmen. Ein erstes atmosphärisches Transmissionsfenster liegt beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 8 pm bis 13 pm.
Ein solcher passiver Strahlungskühler geht beispielsweise aus der US 2017 314 878 A1 hervor. Dieser passive Strahlungskühler weist ein komplexes Mehrschichtsystem aus übereinander angeordneten Schichten unterschiedlicher Dicke auf, die abwechselnd aus Magnesiumfluorid (MgF?) oder Titandioxid (TiO?) bestehen. Dieses Mehrschichtsystem unterdrückt die Absorption von Sonnenlicht im gesamten Sonnenspektrum und emittiert Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich, der dem des ersten atmosphärischen Transmissionsfensters entspricht. Dieser passive Strahlungskühler weist den Nachteil auf, dass die Herstellung des Mehrschichtsystems aufwendig und daher kostenintensiv ist.
Aus der WO 2017 151 514 A1 geht ein passiver Strahlungskühler mit einer Emissionsschicht hervor, die ein transparentes Polymer wie beispielsweise Po- lymethylpenten und eine Vielzahl von in das Polymethylpenten eingebetteten dielektrischen Partikeln wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO?) enthält. Diese Emissionsschicht ist auf eine darunterliegende metallische Reflexionsschicht aufgebracht. Die dielektrischen Partikel emittieren Infrarotstrahlung in dem Wellenlängenbereich, der dem des ersten atmosphärischen Transmissionsfensters entspricht, wodurch Wärme in das kalte Weltall abgegeben werden kann. Um eine Langzeitstabilität der Emissionsschicht des passiven Strahlungskühler gewährleisten zu können, ist auf die Emissionsschicht eine zusätzliche Schutzschicht aus Polyethylenterephthalat aufgebracht, die die Emissionsschicht vor negativen Umwelteinflüssen schützt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen passiven Strahlungskühler anzugeben, der eine verbesserte Langzeitstabilität sowie eine erleichterte Herstellbarkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen passiven Strahlungskühler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses passiven Strahlungskühlers finden sich in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 21 . Ein erfindungsgemäßer passiver Strahlungskühler umfasst eine auf einem Substrat aufgebrachte Schichtstruktur, welche zumindest eine Reflexionsschicht und zumindest eine Emissionsschicht umfasst. Diese Schichtstruktur kann derart aufgebaut sein, dass
- entweder die Reflexionsschicht auf dem Substrat und die Emissionsschicht auf der Reflexionsschicht
- oder die Emissionsschicht auf dem Substrat und die Reflexionsschicht auf der Emissionsschicht aufgebracht ist.
Letzteres setzt allerdings I ' voraus, dass die auf der Emissionsschicht aufgebrachz w z — — • r te Reflexionsschicht zumindest für einfallende und/oder von der Emissionsschicht emittierte Infrarotstrahlungü z O) "O -n d . urchlässig ist. I “■ _
Diese Emissionsschicht enthält erfindungl wsgemäß ein zumindest teilweise vernetztes Polymer und/oder ein von diesem Polymer abgeleitetes keramisches Z z o — — Material, die zur Ausbildung der Emissionsschi ■U 0c03 '- “ ®ht aus zumindest einem verI 4 _ _ netzbaren, Silizium-basierten Prepolymer hergestellt sind, wobei das Prepolymer aus zumindest einer Art von Monomereinheiten nach Formel (I) zusammengesetzt ist:
_ Formel (I)
In dieser Formel (I) ist A ausgewählt aus der Gruppe, die gebildet wird von den Elementen Stickstoff, Kohlenstoff und Bor des Periodensystems der Elemente und einer Carbodiimid-Gruppe. Die Indices p1 , p2, p3, p4, p5 und p6 sind unabhängig voneinander die Zahlen 0 oder 1. m1 und m2 sind unabhängig voneinander die Zahlen 0 oder 1. E ist ausgewählt aus der Gruppe, die gebildet wird von den Elementen Sauerstoff und Silizium des Periodensystems der Elemente. D ist das Element Bor des Periodensystems der Elemente. Die Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, die gebildet wird von dem Element Wasserstoff des Periodensystems der Elemente, einer linearen gesättigten oder verzweigten gesättigten Kohlenwasserstoffgruppe, einer linearen ungesättigten oder verzweigten ungesättigten Kohlenwasserstoffgruppe, einer funktionalisierten linearen oder einer funktiona- lisierten verzweigten Kohlenwasserstoffgruppe, einer ungesättigten zyklischen oder einer gesättigten zyklischen Kohlenwasserstoffgruppe, und einer Hydroxygruppe.
Unter dem Begriff „Prepolymer“ ist ein Makromolekül zu verstehen, das aus einer Mehrzahl von einzelnen Monomereinheiten ausgebildet ist und als Ausgangsstoff bzw. Edukt für das sich bildende, zumindest teilweise vernetzte Polymer und/oder das von diesem Polymer abgeleitete keramische Material dient. Dabei kann das Prepolymer entweder aus einer Mehrzahl von identischen, das heißt einer Art von Monomereinheiten oder aus unterschiedlichen, das heißt aus mehreren Arten von Monomereinheiten zusammengesetzt sein. Im letztgenannten Fall handelt es sich bei dem Prepolymer um ein sogenanntes Hybridpolymer, dessen unterschiedliche Monomereinheiten beispielsweise dasselbe Polymerrückgrat mit voneinander abweichenden Gruppen R1 , R2, R3, R4, R5 und/oder R6 aufweisen können. Das Prepolymer ist insbesondere ein Polysilazan, ein Poly- silylcarbodiimid, ein Polyborosilazan, ein Polyborosilan, ein Polyborosiloxan o- der ein Polycarbosilan, deren Monomereinheiten die in der nachstehenden Tabelle aufgelisteten allgemeinen Strukturformeln aufweisen:
Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass die Emissionsschicht auch aus zwei oder mehreren, voneinander strukturell abweichenden Prepolymeren nach Formel (I) hergestellt sein kann. In diesem Fall handelt es sich bei dem zumin- dest teilweise vernetzten Polymer um ein Copolymer. Der Begriff „Vernetzung“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung die Bildung von kovalenten Polymerbrückenbindungen innerhalb einer Polymerkette oder zwischen zwei Polymerketten, wodurch ein dreidimensionales Polymernetzwerk ausbildbar ist. Bei der Herstellung der Emissionsschicht kann die zumindest teilweise Vernetzung des Prepolymers in der auszubildenden Emissionsschicht entweder durch eine passive Trocknung des Prepolymers bei Raumtemperatur oder durch eine thermische Behandlung bei Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur über einen definierten Zeitraum erreicht werden. Diese thermische Behandlung erfolgt bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 2000 °C, weiter bevor- zugt zwischen 25 °C und 600 °C und besonders bevorzugt zwischen 100 °C und 300 °C. Die Stärke der Vernetzung, d. h. die Anzahl an innerhalb der Polymerketten oder zwischen den Polymerketten des Prepolymers gebildeten kovalenten Polymerbrückenbindungen ist dabei abhängig von der gewählten Trocknungs- temperatur, Trocknungsdauer und/oder der Molekülstruktur des Prepolymers. Die Vernetzung des Prepolymers bei der Herstellung des Polymers kann zu einer teilweisen oder sogar vollständigen Vernetzung des Prepolymers führen. Mit anderen Worten findet die Herstellung des zumindest teilweise vernetzten Polymers aus dem vernetzbaren, Silizium-basierten Prepolymer in der sich ausbildenden Emissionsschicht, d.h. auf der Reflexionsschicht oder dem Substrat statt. Wird die passive Trocknung oder die thermische Behandlung des Prepolymers unter Sauerstoff-, Luft- oder Stickstoffatmosphäre durchgeführt, dann kommt es zur Einlagerung von Luft, Sauerstoff (O2) und/oder Stickstoff (N2) in die Emissionsschicht. Der Sauerstoff (O2) kann während der passiven Trocknung oder der thermischen Behandlung mit dem Prepolymer reagieren und an der Bildung der kovalenten Polymerbrückenbindungen beteiligt sein, sodass es zur Bildung von beispielsweise Si-O-Si-Polymerbrückenbindungen kommen kann.
Die Ausbildung des dreidimensionalen Polymernetzwerkes und somit der Emissionsschicht führt dazu, dass die Emissionsschicht zumindest teilweise oder sogar vollständig durchlässig bzw. transparent für eine einfallende Sonnenstrahlung ist, sodass die Sonnenstrahlung die Emissionsschicht durchdringen kann. An und/oder innerhalb der Reflexionsschicht wird zumindest ein Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung reflektiert. Dadurch heizt sich der passive Strahlungskühler sowie das Objekt, auf dem der passive Strahlungskühler aufbringbar ist, nicht unnötig auf. Die Formulierung „zumindest ein Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass nicht alle einfallende Sonnenstrahlung von der Reflexionsschicht reflektiert werden muss. Ein von der Reflexionsschicht nicht-reflektierter Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung im Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung kann von der Emissionsschicht absorbiert und wieder emittiert werden. Die in einem Polymerrückgrat des zumindest teilweise vernetzten Polymers der Emissionsschicht enthaltenen Si-A-, A-E-, E-D- und/oder D-Si- Bindungen und/oder die gebildeten kovalenten Polymerbrückenbindungen können durch Absorption von Infrarotstrahlung und/oder durch Wärme zu Schwingungen angeregt werden, woraufhin die Schwingungsenergie zumindest teilweise wieder als Infrarotstrahlung emittiert wird. Dadurch kann der passive Strahlungskühler Wärme in Form von Infrarotstrahlung abgeben. Diese Emission von Infrarotstrahlung und Reflexion von Sonnenstrahlung haben den Vorteil, dass der passive Strahlungskühler ein Objekt ohne die Zufuhr von Energie kühlen kann. Diese Kühlung kann sowohl tagsüber als auch nachts stattfinden. Weiterhin ist die Schichtstruktur des passiven Strahlungskühlers derart stabil, dass eine zusätzliche Schutzschicht nicht zwingend benötigt wird, um eine ausreichende Langzeitstabilität gegenüber Umwelteinflüssen zu gewährleisten. Weitere Vorteile bestehen in dem einfachen Aufbau der Schichtstruktur des passiven Strahlungskühlers und der Vielzahl an möglichen Untergründen bzw. Objekten, auf denen der passive Strahlungskühler zur Kühlung aufgebracht werden kann.
Wird die thermische Behandlung des vernetzbaren, Silizium-basierten Prepolymer bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise bei Temperaturen oberhalb von 500 °C durchgeführt, dann findet zunächst die zuvor beschriebene Ausbildung des dreidimensionalen Polymernetzwerkes des zumindest teilweise vernetzten Polymers statt. Danach kann eine zumindest teilweise thermisch-bedingte Zersetzung dieses Polymers in das von diesem Polymer abgeleiteten keramischen Material (in Engi, polymer derived ceramics (Abk.: PDC)) stattfinden, dass eine hohe thermische und/oder chemische Stabilität aufweist (sog. Polymer-Keramik-Umwandlung). Diese Zersetzung kann über molekulare Umstrukturierungen, Kondensationsreaktionen und/oder radikalischen Kettenreaktionen des zumindest teilweise vernetzten Polymers ablaufen. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Polymers kann das Polymer-abgeleitete keramische Material beispielsweise die Zusammensetzung von Siliciumcarbid (SiC), Siliciumoxycarbid (SiOxCy), Siliciumnitrid (SiaN.*), Siliciumcarbonitrid (Si3+xN4Cx+y) oder Siliciumoxynitrid (SiOxNy) aufweisen. Je höher die Temperatur bei der thermischen Behandlung ist, desto größer ist der Anteil des Polymer-abgeleiteten keramischen Materials in der Emissionsschicht. Bei besonders hohen Temperaturen wie beispielsweise 1 100 °C findet eine im Wesentlichen vollständige Zersetzung in das keramische Material statt, sodass die Emissionsschicht nur aus dem keramischen Material besteht. In diesem aus dem Polymer abgeleiteten keramischen Material sind weiterhin Si-A-, A-E-, E-D- und/oder D- Si-Bindungen vorhanden, die durch Absorption von Infrarotstrahlung und/oder durch Wärme zu Schwingungen angeregt werden können, woraufhin die Schwingungsenergie zumindest teilweise wieder als Infrarotstrahlung emittiert wird. Zudem ist die Emissionsschicht, die dieses keramische Material enthält, in dem ersten Spektralwellenlängenbereich ebenfalls transparent. Je nach Aufbau der Schichtstruktur kann die Reflexionsschicht in einer gewünschten Schichtdicke auf das Substrat oder die Emissionsschicht mit Hilfe eines Elektronenstrahlverdampfers (Engl.: e-beam deposition process), durch Sputtern, durch chemische Gasphasenabscheidung (Engl.: chemical vapor deposition) oder durch Elektroplattieren (Engl.: electroplating) aufgebracht werden. Das Substrat oder das mit der Reflexionsschicht beschichtete Substrat können durch eine Tauchbeschichtung (Engl.: dip-coating) mittels eines Tauchbeschichters mit einer Prepolymer-Lösung beschichtet werden. Hierfür wird das Substrat oder das mit der Reflexionsschicht beschichtete Substrat langsam in die Prepolymer-Lösung eingetaucht und nach einem definierten Zeitraum wieder mit einer definierten Geschwindigkeit aus der Lösung herausgezogen. Die Dicke der flüssigen Prepolymerschicht und somit auch die Dicke der herzustellenden Emissionsschicht ist dabei abhängig von der Geschwindigkeit, mit der das mit der Reflexionsschicht beschichtete Substrat wieder aus der Lösung herausgezogen wird. Alternativ hierzu kann die Emissionsschicht auch mittels Sprühbeschichtung (Engl.: spray-coating), durch einen Sol-Gel-Prozess, durch Rotationsbeschichtung (Engl.: spin coating), plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (Engl.: chemical vapor deposition) oder durch Rakeln (Engi.: doc- tor-blading) auf das Substrat oder das mit der Reflexionsschicht beschichtete Substrat aufgebracht werden. Die noch flüssige Prepolymerschicht wird daraufhin entweder passiv bei Raumtemperatur, das heißt ohne äußeres Zutun, oder durch die thermische Behandlung in einen Trockenschrank in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 2000 °C, bevorzugt zwischen 25 °C und 600 °C und besonders bevorzugt zwischen 100 °C und 300 °C und über einen definierten Zeitraum getrocknet. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die zumindest teilweise Vernetzung der noch flüssigen Prepolymerschicht und/oder die Zersetzung in das keramische Material durch eine Behandlung
- mit Strahlung, insbesondere mit vakuumultravioletter Strahlung, ultravioletter Strahlung, sichtbarer Strahlung, Infrarotstrahlung oder Röntgenstrahlung;
- mit einem lonenstrahl;
- mit einen Elektronenstrahl;
- durch Mikrowellenbehandlung; oder - durch Plasmabehandlung mit teilweise ionisiertem Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) oder Distickstoffmonooxid (N2O) durchzuführen.
Der erfindungsgemäße passive Strahlungskühler hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Mehrschichtsystem den Vorteil, dass lediglich zwei Schichten, nämlich die Reflexionsschicht und die Emissionsschicht, erforderlich sind, um die Reflexion eines Teilbereichs des elektromagnetischen Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung bei gleichzeitiger Emission von Infrarotstrahlung und der dadurch verursachten Abgabe von Wärme zu ermöglichen. Dadurch wird die Herstellbarkeit des passiven Strahlungskühlers deutlich vereinfacht und ist weniger kostenintensiv.
Der Begriff „lineare gesättigte oder verzweigte gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe“ umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung Kohlenwasserstoffgruppen mit einem oder mehreren Kohlenstoffatomen. Hierunter fallen insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-butyl, sec-Butyl, iso-Butyl, tert-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, 2,2-Dimethylpropyl, n-Hexyl, iso-Hexyl, 2-Ethylhexyl, n-Heptyl, iso- Heptyl, n-Octyl, iso-Octyl, n-Nonyl, n-Decyl und dergleichen.
Der Begriff „lineare ungesättigte oder verzweigte ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppe“ umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung ungesättigte lineare oder ungesättigte verzweigte Kohlenwasserstoffgruppen mit zwei oder mehreren Kohlenstoffatomen, wobei die Kohlenwasserstoffgruppen zumindest eine C-C- Doppelbindung und/oder zumindest eine C-C-Dreifachbindung aufweisen. Hierunter fallen insbesondere Vinyl, Ethinyl, 1 -Propenyl, 1 -Propinyl, 2- Propenyl, 2- Propinyl, 1 -n-Butenyl, 1 -n-Butinyl, 2-n-Butenyl, 2-n-Butinyl, iso-Butenyl, iso- Butinyl, 1 -Pentenyl, 1 -Pentinyl, 1 -Hexenyl, 1 - Hexinyl, 1 -Heptenyl, 1 -Heptinyl, 1 - Octenyl, 1 -Octinyl, 1 -Nonenyl, 1 -Noninyl, 1 - Decenyl, 1 - Decinyl und dergleichen.
Der Begriff „funktionalisierte lineare oder funktionalisierte verzweigte Kohlenwasserstoffgruppe“ umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung funktionalisierte lineare oder funktionalisierte verzweigte Kohlenwasserstoffgruppen mit einem oder mehreren Kohlenstoffatomen, die zumindest eine funktionelle Gruppe aufweisen. Diese funktionelle Gruppe ist ausgewählt aus der Gruppe, die gebildet wird von einer Hydroxygruppe (-OH), einer Amingruppe (-NR2) und den Elementen Chlor (-CI), Brom (-Br) und Jod (-I). Sofern die funktionalisierte lineare oder funktionalisierte verzweigte Kohlenwasserstoffgruppe mindestens zwei oder auch mehrere Kohlenwasserstoffatome aufweist, kann diese Kohlenwasserstoffgruppe zumindest eine C-C-Doppelbindung und/oder zumindest eine C-C- Dreifachbindung aufweisen. Hierunter fallen insbesondere Vinyl, Ethinyl, 1 - Propenyl, 1 -Propinyl, 2- Propenyl, 2- Propinyl, 1 -n-Butenyl, 1 -n-Butinyl, 2-n- Butenyl, 2-n-Butinyl, iso-Butenyl, iso-Butinyl, 1 -Pentenyl, 1 -Pentinyl, 1 -Hexenyl, 1 - Hexinyl, 1 -Heptenyl, 1 -Heptinyl, 1 -Octenyl, 1 -Octinyl, 1 -Nonenyl, 1 -Noninyl, 1 - Decenyl, 1 - Decinyl und dergleichen.
Der Begriff „ungesättigte zyklische Kohlenwasserstoffgruppe oder einer gesättigte zyklische Kohlenwasserstoffgruppe“ umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung zyklische, gesättigte Kohlenwasserstoffgruppen oder zyklische, ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppen mit mindestens drei Kohlenstoffatomen, wobei die zyklische, ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppen zumindest eine C-C- Doppelbindung enthalten. Hierunter fallen Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclobutenyl Cyclopentyl, Cyclopentenyl, Phenyl, Cyclohexyl, Cyclohexenyl, Aryl und dergleichen. Diese ungesättigten zyklischen Kohlenwasserstoffgruppe und gesättigten zyklischen Kohlenwasserstoffgruppen können auch zumindest eine der zuvor genannten funktionellen Gruppen enthalten.
Damit die Reflexionsschicht zumindest einen Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung optimal reflektieren kann, kann diese Reflexionsschicht in einem ersten Spektralwellenlängenbereich eine Reflektivität von 0.60 bis 1.00, vorzugsweise von 0.90 aufweisen. Diese Reflexivität R wurde für die vorliegende Erfindung mit der Gleichung R = 1- oc (Gleichung (A)) berechnet, worin die Absorption a mit folgender Gleichung (B) berechnet wurde:
In der zuvor genannten Gleichung (B) ist R(A) die spektrale Reflexion der Reflexionsschicht bzw. Probe, die mit einem UV-VIS-NIR-Spektrometer gemessen wurde. Bei diesem UV-VIS-NIR-Spektrometer handelt es sich um das Modell „Cary 500“ des Unternehmens Agilent Technologies, Inc. aus den USA. Es kann jedoch auch jeder andere UV-VIS-NIR-Spektrometer zu dieser Messung verwendet werden. T(A) entspricht der Transmission der Reflexionsschicht, die den Wert 0 annimmt, da die Reflexionsschicht undurchlässig bzw. opak ist.
I(A)AM1.5 entspricht der globalen, horizontalen Bestrahlungsstärke gemäß dem Standard „ASTM G-173-03“. Der erste Spektralwellenlängenbereich, der dem Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung entspricht, der von der Reflexionsschicht reflektiert werden kann, liegt zwischen 200 nm und 3000 nm, bevorzugt zwischen 300 nm und 2500 nm. Durch die Reflexion in diesem Spektralwellenlängenbereich kann ein unnötiges Erwärmen des passiven Strahlungskühlers verhindert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers ist die Reflexionsschicht aus einem Metall ausgebildet, dass ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Silber (Ag), Aluminium (AI), Rhodium (Rh) und Magnesium (Mg). Untersuchung haben ergeben, dass die Metalle Rhodium, Silber und Magnesium sehr gute Reflexionseigenschaften aufweisen. Weiterhin kann die Reflexionsschicht auch aus einer Metalllegierung wie beispielsweise Stahl, einer Aluminium-Magnesium-Legierung oder einer Aluminium-Zink-Legierung oder aus einem Metalloxid ausgebildet sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Titandioxid in Form von TiO? und TiOx und Bariumsulfat (BaSOzi). Titandioxid in Form von TiO? und TiOx hat den Vorteil, dass es wie eine Wandfarbe auf das Substrat aufgestrichen oder aufgesprüht werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Reflexionsschicht aus einem Polymer, insbesondere einem mikroporösen Polymer, ausgebildet ist. Bei diesem Polymer kann es sich um ein Polymer auf Basis von Tetraf- luorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer oder Polytetrafluorethylen handeln.
Die Reflexionsschicht kann eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 1 mm, bevorzugt 50 nm bis 2 pm, weiter bevorzugt von 100 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt von 180 nm aufweisen. Diese Schichtdicke kann mit einem Profilometer oder mit einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt werden. Die im Fall der vorliegenden Erfindung verwendeten Schichtdicken wurden mit einem Dektak 150 Profilometer des Unternehmens Vecco Instruments Inc. bestimmt. Damit eine optimale Reflexion und Langzeitstabilität der Reflexionsschicht erreicht werden kann, kann die Schichtdicke in Abhängigkeit von dem verwendeten Material der Reflexionsschicht gewählt werden. In der nachfolgenden Tabelle sind bevorzugte Schichtdicken für einige der zuvor genannten Materialien aufgelistet, aus denen die Reflexionsschicht ausgebildet werden kann:
Der passive Strahlungskühler kann auch mehrere, übereinander angeordnete Reflexionsschichten aus demselben oder unterschiedlichen Materialien aufweisen (Engl, multilayer structures). In diesem Fall ist die Emissionsschicht entwe- der auf der obersten dieser Reflexionsschichten oder zwischen diesen Reflexionsschichten und dem Substrat angeordnet. Die Schichtdicken und/oder ein Brechungsindex der einzelnen übereinander angeordneten Reflexionsschichten sind dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Reflexionsschichten im ersten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich die einfallende Strahlung re- flektieren. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen sogenannten dielektrischen Spiegel. Solche mehrlagigen Reflexionsschichten können beispielsweise aus Metalloxiden oder Polymeren ausgebildet sein. Ein Beispiel für solche mehrlagigen Reflexionsschichten ist der kommerziell erhältliche 3M™ Enhanced Specular Reflector (Abk.: 3M ESR) des Unternehmens 3M, USA, der aus mehre- ren Polymer-Schichten ausgebildet ist. 3M ESR weist sehr gute Reflexionseigenschaften auf.
Die Reflexionsschicht enthält in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers zumindest ein Additiv. Dieses Additiv kann ein Pigment oder ein Farbstoff sein. Sofern die Reflexionsschicht aus einem Polymer ausgebildet ist, dann ist das Additiv in das Polymer eingebettet. Die Einbettung dieses Additivs in die Reflexionsschicht führt dazu, dass ein weiterer Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung von dem Pigment oder dem Farbstoff absorbiert und wieder emittiert wird, wobei die von dem Pigment oder dem Farbstoff emittierte Strahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt und farbig ist. Dieser weitere Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung liegt vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 nm to 1000 nm. Die Einbettung des Pigments oder des Farbstoffes hat den Vorteil, dass dadurch der passive Strahlungskühler farbig erscheint. Dadurch kann die Farbe des passiven Strahlungskühlers an die Farbe des Objekts angepasst werden, auf dem er aufbringbar ist.
Die Emissionsschicht weist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers in einem zweiten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich einen Emissionsgrad im Bereich von 0,50 bis 1 ,00, bevorzugt von 0,70 bis 0,95, besonders bevorzugt von 0,87 auf. Dieser zweite elektromagnetische Spektralwellenlängenbereich liegt bevorzugt im Bereich 7 pm bis 14 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 8 pm bis 13 pm. In einem dritten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich kann die Emissionsschicht einen Emissionsgrad im Bereich von 0,20 bis 1 ,00, bevorzugt von 0,25 bis 0,90, besonders bevorzugt von 0,30 aufweisen. Der dritte elektromagnetische Spektralwellenlängenbereich liegt bevorzugt in einem Bereich von 16 pm bis 26 pm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 20 pm bis 25 pm. Der jeweilige Emissionsgrad E im zweiten und dritten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich wurde mit der folgenden Gleichung (C) berechnet: In der zuvor genannten Gleichung (C) ist R(A) die spektrale Reflexion der Reflexionsschicht bzw. Probe, die mit einem mit einem FTIR-Spektrometer mit der Modellbezeichnung „Vertex 80V“ des Unternehmens Bruker GmbH aus Deutschland oder mit einem FTIR-Spektrometer mit der Modellbezeichnung „Spectrum 400 Series“ des Unternehmens PerkinElmer, Inc. aus den USA gemessen wurde. T(A) entspricht der Transmission der Reflexionsschicht, die den Wert 0 annimmt, da die Reflexionsschicht undurchlässig bzw. opak ist. E(A)biackbody entspricht der spektralen Intensität eines schwarzen Körpers (Engl.: blackbody) bei einer Temperatur von 300 K. Zur Berechnung des Emissionsgrads in dem zweiten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich kann in der zuvor genannten Gleichung (C) für Ai der Wert 8 pm und für A2 der Wert 14 pm verwendet werden. Zur Berechnung des Emissionsgrad in dem dritten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich kann in der zuvor genannten Gleichung (C) für Ai der Wert 20 pm und für A2 der Wert 25 pm verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers handelt es sich bei dem Prepolymer nach Formel (I) um ein Polysilazan. In diesem Fall sind in der Formel (I) A das Element Stickstoff und p1 die Zahl 1 . p2, m1 , p3, p4, m2, p5 und p6 sind die Zahl 0. Dieses Polysilazan ist aus einer Art von Monomereinheiten nach folgender Formel (IV) zusammengesetzt:
Formel (IV) worin die Gruppen R1, R2 und R3 - wie bereits bei der zuvor beschriebenen Formel (I) - unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von dem Element Wasserstoff des Periodensystems der Elemente, einer linearen gesättigten oder verzweigten gesättigten Kohlenwasserstoffgruppe, einer linearen ungesättigten oder verzweigten ungesättigten Kohlenwasserstoffgruppe, einer funktionalisierten linearen oder einer funktionalisierten ver- zweigten Kohlenwasserstoffgruppe, einer ungesättigten zyklischen oder einer gesättigten zyklischen Kohlenwasserstoffgruppe, und einer Hydroxygruppe.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers ist A in der Formel (I) das Element Stickstoff, p1 ist die Zahl
1 , p2, m1 , p3, p4, m2, p5 und p6 sind die Zahl 0, R1 ist eine Methylgruppe, R2 ist eine Vinylgruppe oder das Element Wasserstoff des Periodensystems der Elemente und R3 ist das Element Wasserstoff des Periodensystems der Elemente. Diese Polysilazane sind folglich entweder aus einer Art von Monomereinheiten nach folgender Formel (V) oder aus einer Art von Monomereinheiten nach folgender Formel (VI) zusammengesetzt:
Formel (V) Formel (VI)
Weiterhin kann das Prepolymer auch aus zwei Arten von Monomereinheiten nach folgenden Formeln (II) und (III) zusammengesetzt sein:
Formel (II)
Formel (III) worin y und z die jeweiligen Anteile der Monomereinheiten im Prepolymer darstellen und wobei y vorzugsweise den Wert 0,8 und z vorzugsweise den Wert 0,2 aufweisen. Bei diesem Prepolymer handelt es sich um ein Polysilazan in Form eines Hybridpolymers. Die Monomereinheiten nach den Formeln (II) und (III) sind in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Anteilen y und z vorzugsweise gleichmäßig in diesem Hybridpolymer verteilt. Ein Prepolymer, welches aus den zwei Monomereinheiten gemäß den Formeln (II) und (III) aufgebaut ist und worin y den Wert 0,8 und z den Wert 0,2 aufweisen, ist unter der Marke „Durazane 1800“ des Unternehmens Merck KGaA aus Deutschland käuflich erwerbbar.
Die zuvor genannten Polysilazane mit den Monomereinheiten mit den Formeln (II), (III), (IV), (V) und (VI) weisen ein Si-N-Polymerrückgrat auf. Die in dem Polymerrückgrat vorhandene Si-N-Si-Bindungen können durch Absorption von Infrarotstrahlung und/oder durch Wärme zu Schwingungen angeregt werden, woraufhin die Schwingungsenergie zumindest teilweise wieder als Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr 1 1 pm emittiert wird. Diese Infrarotstrahlung liegt in dem ersten atmosphärischen Transmissionsfenster und wird dadurch nicht oder nur kaum von der Erdatmosphäre absorbiert, sondern vielmehr direkt in das kalte Weltall emittiert. Dadurch kann der passive Strahlungskühler Wärme in Form von Infrarotstrahlung an das kalte Weltall abgeben, ohne dass sich hierbei die Erdatmosphäre erwärmt. Ist das Polymer der Emissionsschicht aus einem Prepolymer mit zwei Arten von Monomereinheiten gemäß den Formeln (II) und (III) hergestellt, dann können sich zwischen den Polysilazanen kovalente Si-CH2-CH2-Si-Polymerbrückenbindungen ausbilden. Diese kovalente Si-CH2- CH2-Si-Polymerbrückenbindungen können durch Absorption von Infrarotstrahlung zur Schwingung angeregt werden, woraufhin die Schwingungsenergie zumindest teilweise wieder als Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr 12.5 pm emittiert wird. Wie bereits zuvor erwähnt, kann Sauerstoff (O2) während der passiven Trocknung oder der thermischen Behandlung mit dem Prepolymer und/oder dem Polymer reagieren und an der Bildung der kovalenten Polymerbrückenbindungen beteiligt sein, sodass es zur Bildung von kovalenten Si-O-Si-Polymerbrückenbindungen kommen kann. Auch diese kovalenten Si-O- Si-Polymerbrückenbindungen können durch Absorption von Infrarotstrahlung zur Schwingung angeregt werden, woraufhin die Schwingungsenergie zumindest teilweise wieder als Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 7.5 pm bis 10.5 pm emittiert wird. Auch diese Infrarotstrahlung liegt in dem ersten atmosphärischen Transmissionsfenster und wird dadurch direkt in das kalte Weltall emittiert.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann es sich bei dem vernetzbaren, Siliziumbasierten Prepolymer auch um ein Polycarbosilan handeln. Polycarbosilane haben gegenüber Polysiloxanen und Polycarbosiloxanen den Vorteil, dass das aus Si-C-Bindungen bestehende Polymerrückgrat der Polycarbosilane deutlich stabiler gegenüber einem nukleophilen Angriff durch beispielsweise Wasser als die Si-O-Bindungen der Polysiloxane und Polycarbosiloxane ist. Eine Emissionsschicht, die ein zumindest teilweise vernetztes Polymer enthält, das zur Ausbildung der Emissionsschicht aus dem Polycarbosilan hergestellt ist, ist daher gegenüber einer Emissionsschicht auf Basis eines Polysiloxans oder Polycarbosiloxans deutlich stabiler. Zudem weisen Polycarbosilane eine sehr gute Hitzestabilität auf. Die Herstellung solcher Polycarbosilane kann - wie in den nachfolgend genannten wissenschaftlichen Publikationen beschrieben - erfolgen:
Masnovi, J., Bu, X., Beyene, K., Heimann, P., Kacik, T., Harry Andrist, A., & Hurwitz, F. (1992). Syntheses, Structures and Properties of Polycarbosilanes Formed Directly by Polymerization of Alkenylsilanes. MRS Proceedings, 271, 771. doi:10.1557/PROC-271 -771.
Interrante, L. V., Rushkin, I. and Shen, Q. (1998), Linear and hyperbranched polycarbosilanes with Si-CHs-Si bridging groups: A synthetic platform for the construction of novel functional polymeric materials. Appl. Organometal. Chem., 12: 695-705.
Weiterhin kann es sich bei dem vernetzbaren, Silizium-basierten Prepolymer auch um ein Polyborosiloxan handeln. Die Herstellung solcher Polyborosiloxane geht aus der US4824730A und der US4405687A hervor.
Die Emissionsschicht ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers mikrostrukturiert ausgebildet. Eine Mikrostrukturierung der Emissionsschicht kann mittels Nanoprägelithografie, durch Aufstempeln oder durch Laserbeschriftung durchgeführt werden. Bei der zuvor genannten Vernetzung des Prepolymers bei der Herstellung des Polymers kann es zu einer Volumenverringerung der Emissionsschicht kommen. Diese Volumenverringerung, die auch als Polymerschrumpfen bezeichnet ist, wird u.a. durch die Verkleinerung des Abstandes zwischen benachbarten Polymersträngen bei der Vernetzung bzw. der Bildung von kovalenten Polymerbrückenbindungen verursacht. Dieses Schrumpfen kann in der Emissionsschicht, die das Polymer enthält bzw. aus dem Polymer ausgebildet ist, zur Bildung von Rissen führen. Diese Rissbildung kann die unter der Emissionsschicht angeordneten Reflexionsschicht freilegen, sodass Umwelteinflüsse die Reflexionsschicht angreifen können. Deswegen reduzieren diese Risse die Langzeitstabilität des passiven Strahlungskühlers gegenüber Umwelteinflüssen. Um eine solche Rissbildung zu vermeiden, sollte die Schichtdicke der Emissionsschicht in Abhängigkeit von dem verwendeten Polymer eine kritische Schichtdicke nicht überschreiten. Um die Rissbildung zu vermeiden und eine höhere Schichtdicke der Emissionsschicht zu ermöglichen, enthält die Emissionsschicht in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers zumindest ein Füllmittel, das in das zumindest teilweise vernetzte Polymer eingebettet ist. Dieses Füllmittel ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die gebildet wird von Siliziumdioxid (SiO?), Titandioxid (TiO?), Bariumsulfat (BaSCh), Aluminiumoxid (AI2O3), Bornitrid (BN), Polytetrafluorethylen (PTFE), Zirkoniumoxid (ZrO?), Magnesiumoxid (MgO) und Ceroxid (CeC ). Die Emissionsschicht kann auch eine Mischung dieser Füllmittel enthalten. Das Füllmittel kann in Form von Nanopartikeln und/oder Mikropartikeln vorliegen. Diese Füllmittel können der Emissionsschicht neben einer erhöhten Langzeitstabilität auch weitere Eigenschaften verleihen. Beispielsweise können Nano- oder Mikropartikel aus Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (AI2O3) oder Titandioxid (TiÜ2) ebenfalls Infrarotstrahlung emittieren und dadurch zur passiven Kühlung beitragen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers weist die Emissionsschicht eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 pm bis 600 pm, bevorzugt von 0,5 pm bis 20,0 pm, weiter bevorzugt von 1 pm bis 10 pm, besonders bevorzugt von 2 bis 6 pm aufweist. Um Emissionsschichten mit hohen Schichtendicken herstellen und langfristig verwenden zu können, wie beispielsweise Schichtdicken im Bereich von 200 bis 600 pm, kann der Emissionsschicht das zuvor beschriebene Füllmittel zugesetzt werden. Ein weiterer Vorteil der Reflexionsschicht und der Emissionsschicht liegt darin, dass diese sowohl auf feste, unflexible Oberflächen wie beispielsweise das Glassubstrat oder auch auf flexible Oberflächen wie bspw. eine Folie aufgebracht werden können. Dadurch werden die Einsatzmöglichkeiten des passiven Strahlungskühlers deutlich erhöht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen passiven Strahlungskühlers ist das Substrat daher ein Glassubstrat, ein Siliziumwafer, eine flexible Folie, insbesondere eine Metallfolie oder eine Keramikfolie, ein Metallblech oder eine Keramikplatte. Die Metallfolie und das Metallblech können beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet sein. Die Verwendung der Metallfolie oder des Metallblechs ermöglichen eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Objekt, auf dem der passive Strahlungskühler aufgebracht werden kann, und dem passiven Strahlungskühler, wodurch die Wärme durch die Emission von Infrarotstrahlung abgegeben werden kann.
Zur weiteren Erhöhung der Langzeitstabilität des passiven Strahlungskühlers kann in Abhängigkeit von dem Aufbau der Schichtstruktur entweder zwischen dem Substrat und der Reflexionsschicht oder zwischen dem Substrat und der Emissionsschicht eine Zwischenschicht angeordnet sein. Diese Zwischenschicht kann aus Siliziumdioxid (SiO?), Germanium (Ge), Chrom (Cr), Titan (Ti), einem transparenten, leitfähigen Oxid, insbesondere Zinkoxid (ZnO) und dotierte Varianten des Zinkoxid (AI:ZnO, Ga:ZnO), einem anorganischen Oxid oder dergleichen ausgebildet sein. Die Zwischenschicht kann die Haftung der Reflexionsschicht oder der Emissionsschicht auf dem Substrat verbessern und/oder eine Reaktion und/oder Mischung des Materials der Reflexionsschicht oder der Emissionsschicht mit dem Material des Substrats verhindern. Wird beispielsweise eine Metallfolie aus Aluminium als Substrat verwendet und darauf eine metallische Reflexionsschicht aus beispielsweise Silber aufgebracht, dann kann es an der Silber-Aluminium-Grenzfläche zu einer Mischung von Silber- und Aluminiumatomen kommen, die die Reflexionseigenschaften der Reflexionsschicht beeinflussen kann. Durch eine Zwischenschicht aus beispielsweise Siliziumdioxid kann diese Mischung von Silber- und Aluminiumatomen verhindert werden. Weitere bevorzugte Merkmale und vorteilhafte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren und experimentellen Beispielen beschrieben. Dabei zeigt:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht
Figur 3 die Extinktion von elektromagnetischer Strahlung im Bereich von 4.000 cm-1 bis 500 cm'1 durch eine Emissionsschicht;
Figur 4 den Absorptionskoeffizienten der Emissionsschicht und die Einstrahlleistung von Sonneneinstrahlung jeweils als Funktion der Wellenlänge;
Figur 5 die atmosphärische Transmissivität und die Emissivität des ersten Ausführungsbeispiels des passiven Strahlungskühlers 1 aus Figur 1 jeweils als Funktion der Wellenlänge;
Figur 6 ein drittes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 7 ein viertes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 9 ein sechstes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 10 ein siebtes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 1 1 ein achtes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 12 ein neuntes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 13 ein zehntes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers in schematischer Seitenansicht;
Figur 14 ein Gebäude in Form eines Hochhauses in schematischer, perspektivischer Darstellung; und
Figur 15 die Kühlung durch einen passiven Strahlungskühler im Rahmen eines Freilandexperiments. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines passiven Strahlungskühlers 1 in schematischer Seitenansicht. Dieser Strahlungskühler 1 umfasst eine auf einem Substrat 2 aufgebrachte Reflexionsschicht 3 und eine auf der Reflexionsschicht 3 aufgebrachte Emissionsschicht 4. Bei dem Substrat 2 handelt es sich in diesem ersten Ausführungsbeispiel um ein Glassubstrat. Die auf das Glassubstrat 2 aufgebrachte Reflexionsschicht 3 ist aus Silber (Ag) ausgebildet und weist eine Schichtdicke von 300 nm auf. Die auf die Reflexionsschicht 3 aufgebrauchte Emissionsschicht 4 umfasst ein teilweise vernetztes Polymer, das aus dem vernetzbaren, Silizium-basierten Prepolymer hergestellt ist, das aus zwei Arten von Monomereinheiten gemäß den Formeln (II) und (III) zusammengesetzt ist, wobei y den Wert 0,8 und z den Wert 0,2 in den Formeln (II) und (III) aufweisen. Dieses Prepolymer in Form eines Polysilazans ist unter der Marke „Durazane 1800“ der Merck KGAA aus Deutschland käuflich erwerbbar. Die Emissionsschicht weist im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von 3 pm auf.
Beispiel 1 : Herstellung des passiven Strahlunqskühlers 1
Für die Herstellung des ersten Ausführungsbeispiels des passiven Strahlungskühlers 1 wird wie folgt vorgegangen:
In einem ersten Verfahrensschritt wird die Reflexionsschicht 3 aus Silber mit einer Schichtdicke von 300 nm durch einen Elektronenstrahlverdampfer (DREVA LAB 450, VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH, Deutschland) auf das Glassubstrat 2 aufgebracht. In einem zweiten Verfahrensschritt wird das vernetzbare, Silizium-basierte Prepolymer, das aus zwei Arten von Monomereinheiten gemäß den Formeln (II) und (III) zusammengesetzt ist, worin y den Wert 0,8 und z den Wert 0,2 aufweisen, mit dem Lösungsmittel Di-n-butylether vermischt, sodass eine flüssige Lösung mit einem Anteil des Prepolymers von 50 Gewichtsprozent (Gew%) gebildet wird. Danach wird in einem dritten Verfahrensschritt das mit der Reflexionsschicht 3 aus Silber beschichtete Glassubstrat 2 mit einem vom Anmelder hergestellten Tauchbeschichter mit der im zweiten Verfahrensschritt hergestellten Lösung beschichtet. Hierfür wird das mit der Reflexionsschicht 3 aus Silber beschichtete Glassubstrat 2 langsam in einen mit der Lösung gefüllten Trog des Tauchbeschichters eingetaucht, das mit der Reflexionsschicht 3 aus Silber beschichtete Glassubstrat 2 für einen definierten Zeitraum von 10 Sekunden in dem Trog gehalten, sodass das mit der Reflexionsschicht 3 aus Silber beschichtete Glassubstrat 2 von der Lösung umgeben ist. Danach wird das mit der Lösung und der Reflexionsschicht 3 aus Silber beschichtete Glassubstrat 2 langsam mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min wieder aus dem Trog des Tauchbeschichters herausgezogen. Nach dem Herausziehen befindet sich auf dem mit der Reflexionsschicht 3 aus Silber beschichteten Glassubstrat 2 eine noch flüssige Schicht aus dem in Di-n-butylether gelösten Prepolymer. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das mit der flüssigen Schicht aus dem Prepolymer und der Reflexionsschicht 3 beschichtete Glassubstrat für eine Stunde unter Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 180 °C in einem Trockenschrank getrocknet. Diese thermische Behandlung führt zu einer Vernetzung des Prepolymers bei gleichzeitiger Verdampfung des Lösungsmittels Di-n- butylether, wodurch es zur Ausbildung von kovalenten Polymerbrückenbindungen zwischen einzelnen Polysilazanmolekülen und auch innerhalb eines Poly- silazanmoleküls kommt. Die Bildung dieser kovalenten Polymerbrückenbindungen führt zur Ausbildung eines dreidimensionalen Polymernetzwerks und der Emissionsschicht 4. Da die thermische Behandlung unter Luftatmosphäre durchgeführt wird, wird der Sauerstoff aus der Luftatmosphäre in das das dreidimensionale Polymernetzwerk der Emissionsschicht 4 eingebaut, wodurch Si- O-Si-Polymerbrückenbindungen gebildet werden und Ammoniakgas freigesetzt wird. Dieses Herstellungsverfahren kann auch für andere Prepolymere wie beispielsweise Polycarbosilane oder Polyborosiloxane angewendet werden.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 in einer schematischen Seitenansicht. Dieses zweite Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1 dadurch, dass das Substrat 2 eine Aluminiumblech (Alanod GmbH & Co. KG, Deutschland) mit einer Dicke von 0,04 cm ist. Dieses Aluminiumblech weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Reflexionsschicht 3 eine Schichtdicke von 230 nm aufweist.
Figur 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Extinktion von elektromagnetischer Strahlung im Bereich von 4.000 cm-1 bis 500 cm-1 durch die Emissionsschicht 4 dargestellt ist. Diese Emissionsschicht 4 umfasst das zumindest teilweise ver- netzte Polymer, das zur Ausbildung der Emissionsschicht 4 aus dem zuvor beschriebenen Polysilazan mit dem Namen „Durazane 1800“ hergestellt und direkt auf ein Substrat 2 in Form eines Siliziumwafers aufgebracht ist, das heißt ohne eine zwischen der Emissionsschicht 4 und dem Substrat 2 angeordneten Reflexionsschicht 3 (sog. PSZ beschichteter Siliziumwafer). Dieser Schichtaufbau dient dazu, die Extinktionseigenschaften der Emissionsschicht 4 zu analysieren. Peaks bzw. lokale Maxima im Spektrum zeigen die Extinktion an, die u.a. durch Absorption von Infrarotstrahlung durch kovalente Bindungen im teilweise vernetzten Polymer der Emissionsschicht 4 verursacht ist. Diese Infrarotstrahlung wird entweder durch ein Polymerrückrat Si-N-Si des Polymers, durch kovalente Polymerbindungen Si-O-Si oder durch sonstige kovalente Bindungen N-H, C-H, Si-H und Si-CHa absorbiert. Durch diese Absorption von Infrarotstrahlung werden die jeweiligen Bindungen zu Schwingungen angeregt. In Figur 3 ist jeder Peak mit der dazugehörigen Schwingung beschriftet.
Figur 4 zeigt ein Diagramm, in dem die Einstrahlleistung von Sonneneinstrahlung als Funktion der Wellenlänge dargestellt ist (gestrichelte Linie; bezeichnet als AM1.5G Einstrahlleistung). Im selben Diagramm ist der Absorptionskoeffizient des zweiten Ausführungsbeispiels des passiven Strahlungskühlers 1 aus Figur 2 ebenfalls als Funktion der Wellenlänge (durchgezogene Linie, bezeichnet als Absorptionsfaktor von PSZ beschichteter Probe) gezeigt. Der in dem Diagramm gezeigte Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 2.500 nm entspricht dem ersten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich. Dieses Diagramm zeigt, dass die Emissionsschicht 4 Sonnenstrahlung in diesem ersten Spektralwellenlängenbereich nur in sehr geringem Umfang absorbiert. Dies liegt daran, dass die Emissionsschicht 4 in diesem ersten Spektralwellenbereich transparent ist. Dieses Diagramm wurde mithilfe eines UV-VIS-NIR- Spektrometers (Cary 500, Agilent Technologies, Inc., USA) aufgenommen.
Figur 5 zeigt ein Diagramm, das die atmosphärische Transmissivität als Funktion der Wellenlänge darstellt (gepunktete Linie, bezeichnet als atmosphärische Transmissivität). In demselben Diagramm ist die Emissivität des zweiten Ausführungsbeispiels des passiven Strahlungskühlers 1 aus Figur 2 (durchgezogene Linie, bezeichnet als PSZ beschichtetes Substrat (mit Ag Reflektor)) als Funktion der Wellenlänge dargestellt. Die atmosphärische Transmissivität entspricht der Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für elektromagnetische Strah- lung. Wie anhand der gepunkteten Linie dieses Diagramms deutlich wird, weist die Erdatmosphäre zwei atmosphärische Transmissionsfenster auf. Ein erstes Transmissionsfenster liegt in dem zweiten elektromagnetischen Spektralwellenbereich zwischen 8 pm und 14 pm. Weiterhin ist die Erdatmosphäre auch für Infrarotstrahlung zwischen ungefähr 16 pm bis 25 pm durchlässig. In diesen Spektralwellenlängenbereichen kann von der Emissionsschicht 4 emittierte Infrarotstrahlung in das kalte Weltall abgegeben werden, ohne dass sich hierbei die Erdatmosphäre erwärmt. Die Emissionsschicht 4 des zweiten Ausführungsbeispiels des passiven Strahlungskühlers 1 emittiert Infrarotstrahlung in dem zweiten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich zwischen 8 pm und 14 pm sowie in einem dritten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich zwischen 20 pm und 25 pm. Dieser zweite und dritte elektromagnetische Spektralwellenlängenbereich liegt jeweils in dem ersten bzw. zweiten atmosphärischen Transmissionsfenster.
Figur 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1. Dieses dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 dadurch, dass die Emissionsschicht 4 mikrostrukturiert ausgebildet ist. Diese Mikrostrukturierung der Emissionsschicht 4 wurde durch Aufstempeln auf der Reflexionsschicht 3 aufgebracht.
Figur 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1. Dieses vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Emissionsschicht 4 aus einem teilweise vernetzten Polymer ausgebildet ist, das aus einem vernetzbaren Polycarbosilan hergestellt ist. Diese Emissionsschicht 4 aus Polycarbosilan weist eine Schichtdicke von 4 pm auf.
Figur 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1. Dieses fünfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 7 gezeigten vierten Ausführungsbeispiels des passiven Strahlungskühlers dadurch, dass zwischen dem Substrat 2 und der Reflexionsschicht 3 eine Zwischenschicht 5 aus Siliziumoxid (SiO?) angeordnet ist. Durch diese Zwischenschicht 5 kann die Mischung von Silber- und Aluminiumatomen an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat 2 und der Reflexionsschicht 3 verhindert werden. Figur 9 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 in schematischer Seitenansicht. Dieses sechste Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem fünften Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 aus Figur 8 dadurch, dass die Emissionsschicht 4 ein Füllmittel 6 enthält, das in das teilweise vernetzte Polymer eingebettet ist und als Siliziumdi- oxid-Partikel (SiC ) ausgebildet ist. Diese Siliziumdioxid-Partikel sind als Mikropartikel mit einem Durchmesser von 10 pm ± 5 pm ausgebildet. Sie dienen dazu, eine Rissbildung in der Emissionsschicht 4 bei Überschreiten der kritischen Schichtdicke zu vermeiden. Aufgrund dessen weist die Emissionsschicht 4 in dem sechsten Ausführungsbeispiel eine höhere Schichtdicke als die in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigte Emissionsschicht 4 auf, nämlich 60 pm. Diese Siliziumdioxid-Partikel sind zudem in der Lage, Wärme in Form von Infrarotstrahlung zu emittieren.
Figur 10 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 in schematischer Seitenansicht. Dieses siebte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 dadurch, dass die Reflexionsschicht 5 aus Tetrafluorethyl- en-Hexafluorpropylen-Copolymer ausgebildet ist und ein Additiv 7 enthält, das ein Pigment ist. Dieses Pigment 7 ist in Form von Nanopartikeln in die Reflexionsschicht 5 eingebettet. Die Einbettung dieses Pigments 7 in die Reflexionsschicht 5 führt dazu, dass ein Teilbereich des ersten Spektralwellenlängenbereichs der einfallenden Sonnenstrahlung von der Reflexionsschicht 5 nicht reflektiert wird, sondern vielmehr von dem Pigment absorbiert wird. Dadurch emittiert das Pigment 7 elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, so dass die Reflexionsschicht 5 farbig ausgebildet ist. Die Einbettung des Pigments 7 in die Reflexionsschicht 5 hat den Vorteil, dass dadurch der passive Strahlungskühler 1 farbig erscheint. Dadurch kann die Farbe des passiven Strahlungskühlers 1 an die Farbe des Objekts angepasst werden, auf dem er angebracht werden soll.
Figur 1 1 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 in einer schematischen Seitenansicht. Dieses achte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 dadurch, dass der passive Strahlungskühler 1 mehre- re, übereinander angeordnete Reflexionsschichten 31 , 32, 33, 34 aus einem dielektrischen Material umfasst. Die Schichtdicken der einzelnen übereinander angeordneten Reflexionsschichten 31 , 32, 33, 34 sind dabei so gewählt, dass die Reflexionsschichten 31 , 32, 33, 34 im ersten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich die einfallende Strahlung reflektieren.
Figur 12 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 in einer schematischen Seitenansicht. Dieses neunte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 dadurch, dass das Substrat 2 ein Metallblech aus Kupfer mit einer Dicke von 0,2 cm ist. Des Weiteren umfasst die Reflexionsschicht 2 Titandioxid in Form von TiOs-
Figur 13 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 in einer schematischen Seitenansicht. Dieses zehnte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 1 gezeigten achten Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 dadurch, dass die Emissionsschicht 4 direkt auf das Substrat 2 aufgebracht ist, wobei mehrere, übereinander angeordnete Reflexionsschichten 31 , 32, 33, 34 aus einem dielektrischen Material auf der Emissionsschicht 4 angeordnet sind.
Figur 14 zeigt ein Gebäude 9 in Form eines Hochhauses in schematischer, perspektivischer Darstellung. Auf einem Gebäudedach 10 dieses Gebäudes 9 ist das zweite Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 aus Figur 2 angeordnet und dient zur Kühlung des Gebäudes 9. Die Kühlung durch den passiven Strahlungskühler 1 basiert darauf, dass der passive Strahlungskühler 1 einerseits einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich reflektieren und zusätzlich Wärme in Form von Infrarotstrahlung in dem zweiten und dritten Spektralwellenlängenbereich emittieren kann. Die Reflexion von einfallender Sonnenstrahlung verhindert, dass sich der passive Strahlungskühler 1 und dadurch das Gebäude 9 aufheizt. Die Emission von Infrarotstrahlung und die dadurch verursachte Abgabe von Wärme führt zu einer Kühlung des mit dem passiven Strahlungskühler 1 versehenen Gebäudedachs 10 und folglich auch zu einer Kühlung des Gebäudes 9 selbst.
Beispiel 2: Kühlung durch einen passiven Strahlunqskühler 1 Figur 15 zeigt ein Diagramm, das die Kühlung des Gebäudes 9 beispielhaft durch ein Freilandexperiment zeigt. In diesem Freilandexperiment wurde eine einfache Petrischale ohne Deckel mit einer dünnen Polyethylen(PE)-Küchenfolie mit einer Dicke 13 pm Dicke bedeckt, die als konvektive Barriere dient. Die PE-Küchenfolie sorgt für begrenzte Konvektionsverluste zwischen einer zu untersuchenden, in der Petrischale angeordneten Probe und der Atmosphäre außerhalb der Petrischale. Die Probe im Innenbereich der wurde mit einem kleinen Stück doppelseitigen Klebeband auf einem kleinen Styroporblock fixiert, um minimale Konvektionsverluste zu gewährleisten. Bei der Probe handelt es sich um das zweite Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 aus Figur 2. Zur Durchführung kontinuierlicher Außentemperaturmessungen wurde ein erster kalibrierter Pt100-Sensor der Klasse A mit 4-Draht-Konfiguration [Heraeus Ne- xensos M222, Kleinostheim, Germany] verwendet, auch Pt100-Temperaturfühler genannt. Der erste Pt100-Sensor wurde zwischen dem Styroporblock und der Probe platziert. Um eine gute physikalische Verbindung zwischen der Probe und dem ersten Pt100-Sensor zu gewährleisten, wurde etwas Wärmeleitpaste zwischen den ersten Pt100-Sensor und der Probe aufgetragen. Die Umgebungstemperatur wurde durch einen zweiten Pt100-Sensor gemessen, der frei hängend neben der Probe in der Petrischale platziert wurde. Die Pt100-Sensoren wurden an eine Agilent 34972A LXI-Datenerfassungseinheit angeschlossen, die die Temperatur alle 5 Sekunden ausliest. Die Datenerfassungseinheit war mit einem Laptop verbunden, der ein Python-Skript ausführte, um die gemessene Temperatur von allen Sensoren zu erfassen und zu speichern. Die Petrischale wurde dann mit doppelseitigen Klebebändern auf einem umgekehrt aufgestellten Glasbecher, d.h. auf dem Boden des umgekehrt aufgestellten Glasbechers befestigt, um sie von jeder Oberfläche fernzuhalten. Die Petrischale wurde derart angeordnet, dass ihr Boden parallel zum Himmel ausgerichtet war, ohne jegliche Sonnennachführung, Abschirmung oder strahlende Befestigungen. Mehrere Messungen wurden auf einem Gebäudedach des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Vernetzte Energiesysteme (N53°09'05.1 " E8°10'01 .1 ") am 10. Oktober 2020 durchgeführt. Für die kontinuierlichen Temperaturmessungen wurde ein sauberer und klarer Himmelstag gewählt. Die globale horizontale Bestrahlungsstärke durch die Sonneneinstrahlung wurde von einem Pyranometer von der permanenten Wetterstation des DLR gesammelt, die sich 166 m von dem Ort entfernt befindet, an dem wir das vorliegende Freilan- dexperiment durchgeführt wurde. Das Diagramm aus Figur 15 zeigt die von dem zweiten Pt1 OO-Sensor gemessene Umgebungstemperatur als Funktion der Uhrzeit während des Freilandexperiments (dick gepunktete Linie, bezeichnet als Umgebungstemperatur). Weiterhin stellt dieses Diagramm die von dem ersten Pt100-Sensor gemessene Probentemperatur der Probe ebenfalls als Funktion der Uhrzeit während des Freilandexperiments dar (Strich-Punkt-Linie, bezeichnet als Probentemperatur). Außerdem zeigt das Diagramm die Einstrahlungsleistung der Sonnenstrahlung als Funktion der Uhrzeit während des Freilandexperiments (dünn gepunktete Linie, bezeichnet als Solar Einstrahlungsleistung). Die Differenz der Umgebungstemperatur und der Probentemperatur ist ebenfalls als Funktion der Uhrzeit während des Freilandexperiments in dem Diagramm darstellt (durchgezogene Linie, bezeichnet als Temperaturdifferenz) und verdeutlicht, dass die Probe, d.h. das zweite Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 aus Figur 2 eine durchschnittlich um 5 °C kältere Tempera- tur als die Umgebung aufweist. Im Maximum wies die Probe, d.h. das zweite Ausführungsbeispiel des passiven Strahlungskühlers 1 aus Figur 2, eine um maximal 6,8 °C niedrigere Temperatur als die Umgebung auf.

Claims

Ansprüche
1. Passiver Strahlungskühler (1 ) mit einem Substrat und einer auf dem Substrat (2) aufgebrachten Schichtstruktur, die zumindest eine Reflexionsschicht (3) und zumindest eine Emissionsschicht (4) umfasst, wobei die Emissionsschicht (4) ein zumindest teilweise vernetztes Polymer und/oder ein von diesem Polymer abgeleitetes keramisches Material umfasst, welche zur Ausbildung der Emissionsschicht (4) aus zumindest einem vernetzbaren, Silizium-basierten Prepolymer hergestellt sind, wobei das Prepolymer aus zumindest einer Art von Monomereinheiten nach Formel (I) zusammengesetzt ist, worin
- A ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von den Elementen Stickstoff, Kohlenstoff und Bor des Periodensystems der Elemente und einer Carbodiimid-Gruppe;
- E ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von den Elementen Sauerstoff und Silizium des Periodensystems der Elemente;
- D das Element Bor des Periodensystems der Elemente ist;
- p1 , p2, p3, p4, p5 und p6 unabhängig voneinander die Zahlen 0 oder 1 sind;
- m1 und m2 unabhängig voneinander die Zahlen 0 oder 1 sind; und
- R1 , R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von dem Element Wasserstoff des Periodensystems der Elemente, einer linearen gesättigten oder verzweigten gesättigten Kohlenwasserstoffgruppe, einer linearen ungesättigten oder verzweigten ungesättigten Koh- lenwasserstoffgruppe, einer funktionalisierten linearen oder einer funktionalisierten verzweigten Kohlenwasserstoffgruppe, einer ungesättigten zyklischen Kohlenwasserstoffgruppe oder einer gesättigten zyklischen Kohlenwasserstoffgruppe und einer Hydroxygruppe; und wobei die Reflexionsschicht (3) in einem ersten Spektralwellenlängenbereich eine Re- flektivität von 0.60 bis 1.00, vorzugsweise von 0.90 aufweist.
2. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach Anspruch 1 , bei welchem die Schichtstruktur derart aufgebaut ist, dass
- entweder die Reflexionsschicht (3) auf dem Substrat (2) und die Emissionsschicht (4) auf der Reflexionsschicht (3)
- oder die Emissionsschicht (4) auf dem Substrat (2) und die Reflexionsschicht (3) auf der Emissionsschicht (4) aufgebracht ist.
3. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der erste elektromagnetische Spektralwellenlängenbereich zwischen 200 nm und 3000 nm, bevorzugt zwischen 300 nm und 2500 nm liegt.
4. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Reflexionsschicht (3)
- aus einem Metall ausgebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Silber, Aluminium, Rhodium und Magnesium; oder
- aus einer Metalllegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Stahl, einer Aluminium-Magnesium-Legierung und einer Aluminium-Zink-Legierung; oder
- aus einem Metalloxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Titandioxid in Form von TiO?, Titandioxid in Form von TiOx Und Bariumsulfat (BaSOzi); oder
- aus einem Polymer ausgebildet ist, das vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Tetrafluorethylen- Hexafluorpropylen-Copolymer und Polytetrafluorethylen.
5. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Reflexionsschicht (3) eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm
30 bis 1 mm, bevorzugt von 50nm bis 2 m, weiter bevorzugt von 100 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt von 180 nm aufweist.
6. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welcher mehrere, übereinander angeordnete Reflexionsschichten (31 , 32, 33, 34) aufweist, wobei die Emissionsschicht (4) entweder auf der obersten (31 ) dieser Reflexionsschichten (31 , 32, 33, 34) oder zwischen diesen Reflexionsschichten (31 , 32, 33, 34) und dem Substrat (2) angeordnet ist.
7. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Reflexionsschicht (3) zumindest ein Additiv (7) enthält, welches ein Pigment oder ein Farbstoff ist.
8. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Emissionsschicht (4) in einem zweiten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich einen Emissionsgrad im Bereich von 0,50 bis 1 ,00, bevorzugt von 0,70 bis 0,95, besonders bevorzugt von 0,87 aufweist.
9. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach Anspruch 8, bei welchem der zweite elektromagnetische Spektralwellenlängenbereich in einem Bereich von 7 pm bis 14 pm, vorzugsweise im Bereich von 8 pm bis 13 pm liegt.
10. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach Anspruch 9, bei welchem die Emissionsschicht (4) in einem dritten elektromagnetischen Spektralwellenlängenbereich einen Emissionsgrad im Bereich von 0,20 bis 1 ,00, bevorzugt von 0,25 bis 0,90, besonders bevorzugt von 0,30 aufweist.
1 1 . Passiver Strahlungskühler (1 ) nach Anspruch 10, bei welchem der dritte elektromagnetische Spektralwellenlängenbereich in einem Bereich von 16 pm bis 26 pm, vorzugsweise in einem Bereich von 20 pm bis 25 pm liegt.
12. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , bei welchem in der Formel (I) A das Element Stickstoff, p1 die Zahl 1 ist und p2, m1 , p3, p4, m2, p5 und p6 die Zahl 0 sind.
13. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach Anspruch 12, bei welchem in der Formel (I) A das Element Stickstoff, p1 die Zahl 1 und p2, m1 , p3, p4, m2, p5 und p6 die Zahl 0 sind, R1 eine Methylgruppe ist, R2 eine Vinylgruppe oder das Element Wasserstoff des Periodensystems der Elemente ist und R3 das Element Wasserstoff ist.
14. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem das Prepolymer aus zwei Arten von Monomereinheiten nach folgenden Formeln (II) und (III) zusammengesetzt ist:
Formel (II)
Formel (III) worin y und z die jeweiligen Anteile der Monomereinheiten im Prepolymer darstellen und wobei y vorzugsweise den Wert 0,8 und z vorzugsweise den Wert 0,2 aufweisen.
15. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem das zumindest teilweise vernetzte Polymer durch kovalente Si- O-Si-, Si-CH2-CH2-Si-, Si-N-Si-, Si-O-B-, Si-B-N-, Si-C-B und/oder Si-B- Si-Polymerbrückenbindungen vernetzt ist.
16. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem die Emissionsschicht (4) mikrostrukturiert ausgebildet ist.
17. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei welchem die Emissionsschicht (4) zumindest ein Füllmittel (6) enthält, das in das zumindest teilweise vernetzte Polymer eingebettet ist und vor- zugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von SiO2, TiO2, AI2O3, BN, PTFE, ZrO2, MgO und CeO2, wobei das Füllmittel (6) vorzugsweise in Form von Nanopartikeln und/oder Mikropartikeln vorliegt. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welchem die Emissionsschicht (4) eine Schichtdicke im Bereich von 0, 1 pm bis 600 pm, bevorzugt von 0,5 pm bis 20,0 pm, weiter bevorzugt von 1 pm bis 10 pm, besonders bevorzugt von 2 bis 6 pm aufweist. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welchem das Substrat (2) ein Glassubstrat, ein Siliziumwafer, eine Folie, insbesondere eine Metallfolie oder eine Keramikfolie, ein Metallblech oder eine Keramikplatte ist. Passiver Strahlungskühler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, der eine zwischen dem Substrat (2) und der Reflexionsschicht (3, 31 , 32, 33, 34) angeordnete Zwischenschicht (5) aufweist, die vorzugsweise aus Siliziumdioxid, Germanium, Chrom, Titan einem transparenten leitfähigen Oxid, einem anorganischen Oxid oder dergleichen ausgebildet ist.
33
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