Bornitrid – Das perfekte Material zur Strahlungskühlung

Neben seiner Verwendung zur Herstellung wärmeleitender Materialien ist Bornitrid auch ein ideales Material für die Strahlungskühlung.

Was ist ein Strahlungskühlungsmaterial?

Ein Strahlungskühlmaterial ist ein neuartiger Materialtyp, der Kühlung durch passive Wärmeabstrahlung in den Weltraum ermöglicht. Es benötigt keine elektrische Zufuhr und basiert ausschließlich auf den inhärenten physikalischen Eigenschaften des Materials.

Seine Kernprinzipien basieren auf zwei fundamentalen physikalischen Prozessen:

1. Hohe solare Reflexionsfähigkeit: Es reflektiert so viel Sonnenlicht wie möglich (vorwiegend im Wellenlängenbereich von 0,3–2,5 µm), um die Absorption von Sonnenwärme zu reduzieren.

2. Hohe Infrarot-Emissivität im atmosphärischen Fenster: Innerhalb des "atmosphärischen Fensters" (8–13 µm), in dem die Erdatmosphäre für bestimmte Infrarotbänder hochtransparent ist, weist das Material eine starke Wärmestrahlungsfähigkeit auf und emittiert Wärme direkt in Form von Infrarotstrahlen in den kalten Weltraum (ungefähr 3 K).

Vereinfacht ausgedrückt funktioniert dieses Material wie ein „Einweg-Wärmeableitungskanal“: Es verhindert das Eindringen von Sonnenwärme und gibt gleichzeitig die eigene Wärme des Objekts in das Universum ab.

Hexagonales Bornitrid (h-BN) besitzt die perfekten Eigenschaften für die Strahlungskühlung.

Kernreflexionseigenschaften:

• Hohes solares Reflexionsvermögen: h-BN weist im sichtbaren bis nahinfraroten Wellenlängenbereich ein sehr hohes Reflexionsvermögen auf. Dies verleiht ihm ein helles, weißes Aussehen, das durch seine große Bandlücke und seine spezifische elektronische Struktur bedingt ist.

• Hohe Infrarot-Emissionsfähigkeit: Im mittleren Infrarotbereich, insbesondere im atmosphärischen Fenster von 8–13 µm, absorbiert h-BN stark. Gemäß dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz weist es in diesem Bereich auch eine hohe Emissionsfähigkeit auf.

Mit den heutigen technologischen Möglichkeiten ist es durchaus machbar, hochflexible Bornitridfilme mit hohem Gehalt für Anwendungen in der Strahlungskühlung herzustellen.

Anwendungsszenarien

1. Energieeffizienz von Gebäuden:

   • Als Außenwand- oder Dachbeschichtung eingesetzt, reduzieren sie die Oberflächen- und Innentemperaturen von Gebäuden erheblich und sparen dadurch 20–50 % des Energieverbrauchs für Klimaanlagen ein.

   • Hergestellt zu Kühlfolien und auf Gebäudeglas oder Außenwände aufgebracht.

2. Wärmeableitung für leistungselektronische Bauelemente:

   • Wird zur Kühlung von Außenkommunikationsbasisstationen, Rechenzentrumsservern, Photovoltaik-Kraftwerken usw. eingesetzt und verbessert so die Lebensdauer und Betriebseffizienz der Geräte.

   • Bereitstellung passiver Kühllösungen für tragbare elektronische Geräte.

3. Sammlung von Wasserressourcen:

   • Durch die Nutzung von Strahlungskühlflächen zur Kondensation von Wasserdampf aus der Luft wird die „atmosphärische Wassergewinnung“ in ariden Regionen ermöglicht.

4. Persönliches Wärmemanagement:

   • Hergestellt aus Textilfasern oder Stoffen zur Herstellung von „kühlender Kleidung“, die ein angenehmes Mikroklima für im Freien arbeitende Menschen in Umgebungen mit hohen Temperaturen bietet.

5. Milderung des städtischen Wärmeinseleffekts:

   • Eine großflächige Anwendung auf städtischen Straßen und Dächern kann die allgemeine Umgebungstemperatur von Städten wirksam senken.

Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Trotz ihrer vielversprechenden Perspektiven stehen Strahlungskühlmaterialien noch immer vor einigen Herausforderungen:

• Anpassungsfähigkeit an die Umweltbedingungen: Bei feuchtem, bewölktem oder regnerischem Wetter verringert sich die Transparenz des atmosphärischen Fensters, was die Kühlleistung erheblich reduziert.

• Haltbarkeit und Verschmutzung: Oberflächenstaub und Verunreinigungen können die Reflexions- und Strahlungseigenschaften stark beeinträchtigen, weshalb selbstreinigende Eigenschaften (z. B. superhydrophobe Oberflächen) erforderlich sind.

• Kosten und Skalierbarkeit: Die Kosten für Hochleistungs-Photonik-Strukturmaterialien sind nach wie vor relativ hoch. Eine kostengünstige Massenproduktion ist der Schlüssel zur Kommerzialisierung.

• Spektrale Regulierung: Ein zukünftiger Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von „intelligenten“ Strahlungskühlmaterialien, die ihre Strahlungseigenschaften dynamisch an die Umgebungstemperatur anpassen können und so den Effekt „warm im Winter und kühl im Sommer“ erzielen.