Hoe stoffen van de volgende generatie u koel houden in de zomerhitte

Airconditioning gebruikt maar liefst 5 procent van alle elektriciteit die in de VS wordt geproduceerd. Dat is een enorme hoeveelheid bronnen die elk jaar letterlijk in hete lucht gaan. Dus zelfs kleine vorderingen die mensen helpen het hoofd koel te houden, kunnen een belangrijk effect hebben.

Vandaag onthullen Jonathan Tong en vrienden van het MIT hun benadering van het probleem: stoffen ontwerpen die ervoor zorgen dat warmte effectiever van het lichaam kan wegstralen.

Niet alleen zijn de meeste kledingstukken ondoorzichtig voor zichtbaar licht, ze zijn ook ondoorzichtig voor infrarood. Deze vangt infraroodstraling op, waardoor het lichaam opwarmt. Dat is handig als het koud is, maar niet zo goed als het warm is.

Dus hebben Tong en co een oplossing bedacht. Ontwerp een materiaal dat ondoorzichtig is voor zichtbaar licht, maar transparant is in het infrarood.

Hun aanpak is rechttoe rechtaan. Tong en co zeggen dat het menselijk lichaam warmte voornamelijk afgeeft in het midden- en ver-infrarood, dus hun weefsel moet zo worden ontworpen dat het in die delen van het spectrum transparant is.

Om een ​​idee te krijgen van de uitdaging, hebben ze de transmissie-eigenschappen gemeten van gewone kledingmaterialen zoals katoen en polyester stoffen, die samen goed zijn voor bijna 80 procent van alle textielvezelproductie. Deze materialen zenden slechts ongeveer 1 procent van het infrarode licht dat erop valt door.

Katoen en polyester daarentegen laten tussen 30 en 40 procent van het zichtbare licht door, dus ze zijn transparanter in het visuele bereik dan in het infrarood. Het team zegt dat deze materialen ondoorzichtig lijken omdat ze meer licht reflecteren dan ze doorlaten en het menselijk oog alleen gevoelig genoeg is om het gereflecteerde licht op te vangen. (Inderdaad, het is meestal gemakkelijk om door deze materialen te kijken als je ze tegen je ogen houdt.)

Er zijn twee redenen waarom katoen en polyester zo ondoorzichtig zijn in het infrarood. De eerste is dat de moleculen buigen en roteren bij veel infrarode frequenties en zo sterk licht absorberen op deze frequenties. En omdat elke stof vele duizenden moleculen dik is, wordt bijna al het infraroodlicht geabsorbeerd.

Ten tweede zijn de vezels zelf ongeveer even groot als de golflengte van infrarood licht en verstrooien ze het dus effectief. Hierdoor reflecteren de materialen infrarood licht sterk. Daarom lijken deze materialen vaak wit op infraroodbeelden.

Dat levert twee uitdagingen op voor Tong en co. Hun nieuwe materialen moeten beduidend minder infrarood licht absorberen en ze moeten gemaakt zijn van vezels die het niet zo sterk verstrooien.

Er komen meteen twee kunstmatige materialen bij me op. De eerste is polyethyleen dat is gemaakt van herhalende ethyleenmonomeren die aaneenschakelen om moleculen van verschillende lengtes te vormen. Dit heeft zeer weinig vibratie- en rotatiemodi bij infraroodfrequenties en is dus veel minder absorberend.

De tweede is nylon dat een vergelijkbare moleculaire structuur heeft als polyethyleen met de toevoeging van een chemische amidegroep. Deze extra groep maakt nylon meer absorberend in het infrarood, hoewel lang niet zo absorberend als katoen of polyester in het cruciale bereik van 10 micrometer waar het menselijk lichaam de meeste warmte uitstraalt.

Tong en co hebben nog een truc in petto. Ze wijzen erop dat het kleiner maken van de vezels ervoor zorgt dat ze minder sterk verstrooien en infrarood licht weerkaatsen. Er gaat dus meer infrarood licht door.

Dit heeft een bijkomend voordeel. Nylon en polyester laten zichtbaar licht vrij goed door, maar door de grootte van de vezels te verkleinen tot die van zichtbaar licht, zullen de vezels het sterker verstrooien. Dat moet ervoor zorgen dat deze materialen er ondoorzichtig uitzien voor het menselijk oog.

Het team berekent vervolgens het effect van het dragen van een nylon- of polyesterweefsel gemaakt van vezels met een diameter van één micrometer en geweven tot garen van 30 micrometer dik. Deze berekeningen suggereren dat de verhoogde infraroodtransmissie het equivalent van ten minste 23 watt aan koeling zou opleveren. Cruciaal is dat deze materialen nog steeds ondoorzichtig moeten zijn bij zichtbare golflengten.

Infrarood transparant zichtbaar ondoorzichtig weefsel biedt een eenvoudige oplossing om het energieverbruik van HVAC-systemen te verminderen door hogere temperatuurinstelpunten in de zomer mogelijk te maken, concluderen ze.

Er zijn natuurlijk enkele kanttekeningen. De eerste is dat deze materialen voor esthetische doeleinden moeten worden geverfd voordat ze op grote schaal kunnen worden gebruikt in kleding voor de detailhandel. Het effect dat deze kleurstoffen zouden hebben op de infraroodtransmissie is nog niet duidelijk.

Waterporositeit is een andere factor. Dit heeft een belangrijke invloed op het comfort omdat veel lichaamskoeling afkomstig is van de verdamping van zweet. Als water niet door deze materialen kan, zijn ze waarschijnlijk oncomfortabel om te dragen.

En draagbaarheid zal een belangrijk op zich zijn. Deze materialen moeten zacht aanvoelen en comfortabel zijn om te dragen, factoren die moeilijk te meten zijn uit een onderzoek als dit. Dan is er nog de duurzaamheid en wasbaarheid, belangrijke factoren bij veel aankoopbeslissingen.

Ten slotte is er de kwestie van de privacy. Infraroodcamera's worden steeds goedkoper en gebruikelijker en iedereen die deze stoffen draagt, zal min of meer naakt voor deze camera's verschijnen. Tong en co maken hier geen melding van in hun paper, maar het is waarschijnlijk een belangrijke overweging in een wereld waar gênante beelden zich in een oogwenk over de hele wereld kunnen verspreiden.

Een oplossing zou kunnen zijn om het materiaal te mengen met andere, meer gebruikelijke, maar nogmaals, de impact hiervan op infraroodtransmissie moet zorgvuldig worden bepaald. Op al deze fronten is duidelijk meer werk nodig.

Desalniettemin is dit een interessante kijk op een belangrijk probleem dat een aanzienlijke impact kan hebben op het energieverbruik op plaatsen waar airconditioning wijdverbreid is.

Referentie: arxiv.org/abs/1507.04269 : Infrarood-transparante zichtbaar-ondoorzichtige stoffen voor draagbaar persoonlijk thermisch beheer

zich verstoppen