Kjøling av bygninger står for en betydelig del av verdens energiforbruk, og behovet øker i takt med høyere temperaturer. Forskere ved The Hong Kong Polytechnic University mener nå de kan ha funnet en uventet løsning ved å studere et lite insekt med en helt spesiell egenskap: Cyphochilus-billen, omtalt som verdens hviteste insekt.
Resultatet er en keramikk for passiv strålingskjøling som skal reflektere 99,6 prosent av sollyset som treffer overflaten. Ifølge forskerne er dette høyere enn det som tidligere er rapportert for sammenlignbare materialer, og det kan få betydning for hvor mye energi bygninger trenger til nedkjøling.
Cyphochilus-billen er liten og ser i utgangspunktet lite spektakulær ut. Skjellene på kroppen er derimot uvanlige. De sprer lys ekstremt effektivt og skaper en hvithet som overgår nesten alle andre biologiske strukturer forskere kjenner til. Mens hvit maling eller kritt i stor grad får utseendet sitt fra relativt enkle refleksjonsegenskaper, skyldes billens hvithet en tettpakket, hierarkisk porøs indre struktur som bryter og omdirigerer lyset på flere skalaer samtidig.
Forskergruppen ledet av professor Wang Zuankai ved PolyU analyserte denne strukturen i detalj. Målet var å forstå hvordan billen oppnår så effektiv lysspredning, og om prinsippet kunne overføres til et menneskeskapt materiale. Keramikken de utviklet er bygget opp med en tilsvarende hierarkisk porøs struktur, som skal gi svært effektiv spredning av lys gjennom hele solspekteret.
Tallet 99,6 prosent handler om solreflektivitet, altså hvor stor andel av innkommende sollys en overflate sender tilbake i stedet for å absorbere. Når absorpsjonen er svært lav, blir også omdanningen av solenergi til varme i materialet minimal. For bygningsmaterialer kan dette bety lavere overflatetemperatur og redusert kjølebehov innendørs.
Forskerne fremhever samtidig en annen egenskap ved materialet, knyttet til et velkjent fenomen i varmeteknikk: Leidenfrost-effekten. Når en væske treffer en svært varm overflate, kan det dannes et tynt lag av damp mellom væsken og overflaten. Dette laget virker isolerende og gjør kjøling med væske langt mindre effektiv.
Den porøse strukturen i keramikken skal endre dette. Materialet beskrives som superhydrofilt, noe som betyr at vann raskt sprer seg utover i stedet for å danne dråper. Da trekkes vannet raskt inn i de sammenkoblede porene, og dette kan bidra til å hindre at et isolerende damplag oppstår. Forskerne oppgir at materialet kan dempe Leidenfrost-effekten ved temperaturer over 800 grader Celsius, noe som i så fall kan gjøre væskekjøling mer effektiv også ved svært høye temperaturer.
Et vanlig problem med nye materialer er at lovende laboratorieresultater ikke alltid fungerer like godt i praksis. Forskerne hevder at keramikken er utviklet med tanke på bruk utendørs, og peker på høy værbestandighet og mekanisk robusthet. I tillegg trekkes egenskaper som selvrensing og mulighet for resirkulering fram, noe som kan påvirke både vedlikeholdskostnader og miljøbelastning ved endt levetid.
Passiv strålingskjøling krever heller ikke strøm. Prinsippet er at materialet reflekterer sollys på dagtid og samtidig avgir varme som infrarød stråling. Dette kan redusere temperaturen på overflaten og dermed senke behovet for aktiv kjøling inne i bygninger.
Forskergruppen mener materialet kan egne seg for kommersialisering, og viser til kostnadseffektivitet, holdbarhet og anvendelse i ulike typer byggeløsninger. Ifølge dem er det slike egenskaper som avgjør om en teknologi blir værende i laboratoriet eller faktisk tas i bruk på tak og fasader i stor skala.
Arbeidet er del av et bredere prosjekt ved PolyU sitt Research Centre for Nature-Inspired Science and Engineering, som ledes av professor Wang. Tanken er at naturen, gjennom evolusjon over svært lange tidsrom, har utviklet strukturer som kan gi ingeniører nye verktøy for å løse tekniske utfordringer.
Studien er publisert i tidsskriftet Science og er gjennomført i samarbeid mellom PolyU og City University of Hong Kong. Professor Christopher Chao er oppført som medforfatter. Biomimetikk, der man lar naturens løsninger inspirere materialutvikling, er et voksende felt, men forskerne mener presisjonen i denne etterligningen skiller seg ut.
Hvis teknologien lar seg skalere og brukes i byggebransjen, kan en egenskap som opprinnelig hjalp en bille med å overleve i sitt naturlige miljø, få en helt annen rolle: å bidra til kjøligere bygninger og lavere energibruk i en varmere verden.
