Henter kulde fra verdensrommet

Den samme teknologien som brukes til solenergi, kan også brukes til å kjøle ned hus. Fysikernes hemmelighet er et selvlaget, slitesterkt plastmateriale med vannførende kanaler.

SPARER STRØM: Professor John Rekstad og postdoktor Michaela Meir ved Fysisk institutt forteller at solfangerne deres rent teoretisk kan dekke 80 prosent av kjølebehovet i USA. Foto: Ola Sæther.

– Det å løse energiproblemene på en miljøvennlig måte, er en av menneskehetens største utfordringer. Det er nettopp behovet for kjøling som har skapt sammenbruddet i elektrisitetsforsyningen i California og voldt energiproblemer i Italia, påpeker professor John Rekstad på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Siden midten av 1990-tallet har forskningsgruppen hans forsket på hvordan fremtidens lokale energibehov kan løses ved å ta i bruk nye, holdbare og billigere materialer til å varme opp hus med solenergi og kjøle ned hus med kulde fra atmosfæren.

De har satset på den termiske energiformen. Oppvarmingen og nedkjølingen skjer ved hjelp av vann. Hus varmes opp med varmt vann, men teknologien kan også brukes til å kjøle ned vann om nettene. Da kan det kalde vannet trekke ut varme fra boligen på hete sommerdager.

– Vi bruker altså energiutstrålingen om natten til å kvitte oss med varmen om dagen, sier postdoktor Michaela Meir ved Fysisk institutt.

John Rekstad hevder at solfangerne deres rent teoretisk kan dekke 80 prosent av kjølebehovet i USA.

Fysisk grunnlov

Den fysiske forklaringen på hvorfor solfangerne kan brukes til kjøling, er den samme som at skråstilte bilvinduer kan bli isete ved plussgrader. For som alt annet sender bilvinduer ut varmestråling. De fysiske lovene er slik at temperaturen i det området der varmeutstrålingen fanges opp, påvirker temperaturen til bilvinduet. Fysikerne kaller det strålingslikevekt.

MILJØVENNLIG: Fysikere har funnet opp en ny type takplater som effektivt kjøler ned vann om nettene. Vannet kan brukes til å kjøle ned hus på dagtid. Den samme teknologien fungerer også til oppvarming. Vann som blir varmet opp med solenergi om dagen, kan brukes til å varme opp hus på nettene. Illustrasjon: Jørgen Maristuen.

Ved overskyet vær kommer ikke strålene langt. Men når nattehimmelen er klar og luften tørr, vil varmeutstrålingen først bli fanget opp langt oppe i atmosfæren. Da vil det skje en såkalt temperaturutveksling med kaldere lag i atmosfæren.

For å forstå fenomenet kan du tenke deg et bilvindu som er vendt mot en skog. Da vil det skje en tilsvarende temperaturutveksling med skogen. Hvis skogen er like varm som luften, vil ikke bilvinduet bli kaldere enn luften. Men når varmeutstrålingen fra bilvinduet vekselvirker med kaldere luftlag, kjøles bilvinduet ned.

På samme måte kan man altså bruke en solfanger til å ”hente kulde fra verdensrommet”.

Billigere med plast

I fjor ble det globalt omsatt for 40 milliarder kroner i solvarmeanlegg. I dag leverer solvarmeanlegg 120 ganger mer energi enn de mer kjente solcellepanelene som produserer elektrisk strøm. Men John Rekstad påpeker at investeringskostnadene og barrierene er så store at solenergimarkedet i dag bare er for entusiastene, de miljøbevisste og de teknisk interesserte.

Forskningsgruppen hans har derfor funnet en løsning som skal være langt billigere å storprodusere enn metallbaserte solfangere. Solfangerne deres er laget av et helt nytt og slitesterkt plastmateriale utviklet i samarbeid med General Electric.

John Rekstad sier at de var de første forskerne i verden som utviklet høytemperatursolfangere av polymermaterialer. Foreløpig har forskningsgruppen hans testet ut 63 forskjellige komposisjoner av polymerer.

Plastikksolfangeren har to lag med en serie rør ved siden av hverandre. Mens de øverste rørene er fylt med vann, er de nederste fylt med luft. Nå er de fysiske lovene slik at vannvolumet påvirkes av temperaturen. For å unngå at rørene skal sprekke, er rørene med vann og luft koblet sammen på en slik måte at luften kan presses sammen og fungere som støtdemper. Da minskes belastningene på materialet.

Fjerner stress

For forskerne har det vært et viktig poeng å få kjedene med molekyler til å plassere seg slik at belastningen blir minst mulig i materialet. Belastningen kalles for stress og betyr at kjedene med molekyler har lyst til å endre form. Slikt stress fører til indre spenninger i materialet. Alle kreftene i materialet vil da angripe det svakeste punktet.

Fysikerne sjekker derfor både hvor mye stress materialet tåler og hvordan materialet kan kvitte seg med stresset.

– Forskningsfeltet er viktig, fordi levetiden øker om stresset fjernes. Vi avstresser ved å varme opp materialet. Da aktiviserer vi de indre spenningskreftene i molekylene. Dette er frontforskning i polymermaterialer og er lite beskrevet i vitenskapen, forteller John Rekstad. Som analyseverktøy bruker de elektronmikroskop for å studere detaljene i polymeren nanometer for nanometer.

Seigt og hett

Dagens plastmateriale tåler 140 grader. Det er ikke nødvendigvis nok på en stekende soldag. Fysikerne prøver derfor å designe andre typer plastmaterialer som kan tåle opptil 200 grader.

Men produksjon av holdbar plastikk er alt annet enn enkel. For å presse plasten ut i den ønskete formen, må man først lage en invers modell av mønsteret i solpanelplaten. Problemet er å få plasten til å forme seg etter modellen. For selv om plasten varmes opp til et sted mellom 250 og 300 grader, er det vanskelig å presse ut plastmassen fordi den er så seig.

– Det har derfor vært viktig for oss å studere hvordan man former polymermaterialer i produksjonsprosessen, forteller John Rekstad.

Materialet er dessuten dyrt. De forsker derfor også på hvordan man kan øke den mekaniske styrken i materialet slik at veggene kan bli enda tynnere mellom kanalene.

Estetikk

John Rekstad presiserer at de også har vært svært opptatt av å lage et materiale som både skal være ren uten negative kjemiske effekter og at det kan resirkuleres og brukes på ny.

Et avgjørende spørsmål er likevel estetikk. Fremtidens hus må ha et tiltalende utseende. Det er en stor utfordring for arkitektene. Ikke alle ønsker svarte plater, selv om de absorberer 95 prosent sollys.

– Vi måler derfor hvor mye stråling man taper med andre farger. Grønn absorberer 90 prosent og blå 85 prosent. Selv om absorpsjonen er lavere, er gevinsten et estetisk, tiltalende materiale, forteller professor John Rekstad ved Fysisk institutt.

Emneord: Teknologi, Materialteknologi, Funksjonelle materialer, Miljøteknologi, Matematikk og naturvitenskap, Fysikk Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 12:00
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere