Gel vol zout laat muren en ramen warmte opsparen
Gels vol zout kunnen overdag warmte opslaan in muren, vloeren en ramen en die 's avonds weer afgeven. Onderzoekers van Texas A&M University zetten op een rij hoe ver deze 'salogels' zijn. De eerste kleine proeven zijn veelbelovend; de stap naar echte gebouwen is de volgende.
Een huis verwarmen en koelen kost veel energie. Wat als muren en ramen overdag zelf warmte konden opsparen en die 's avonds weer teruggeven, zonder stekker? Onderzoekers van Texas A&M University in de Verenigde Staten zetten in een overzichtsartikel op een rij hoe ver een nieuwe groep materialen daarmee is: salogels, gels vol zout die warmte opslaan.
Het artikel verscheen in het vakblad ACS Applied Materials & Interfaces en kwam op de omslag van het nummer van 10 juni, met een salogel in de vorm van een gombeertje. De universiteit maakte het werk begin oktober bekend.
Warmte opslaan zoals een ijsblokje
Het idee werkt zoals een ijsblokje in een glas frisdrank. Terwijl het ijs smelt, haalt het warmte uit de drank, maar zelf wordt het niet warmer dan nul graden. Een coldpack uit de vriezer doet hetzelfde: zolang het bevroren water erin smelt, blijft het koud en haalt het warmte weg uit bijvoorbeeld een gekneusde enkel. Materialen die zo smelten en weer stollen, heten faseovergangsmaterialen. Ze nemen warmte op als ze smelten en geven die weer af als ze stollen.
Een bekend voorbeeld is paraffine, een soort was. De onderzoekers kiezen liever voor zouthydraten: zouten met water in hun kristallen. Die slaan per liter ruim twee keer zoveel warmte op als paraffine. Ze branden bovendien slecht en zijn vaak goedkoop. Een van de zouten die ze noemen, is zelfs een restproduct van de chemische industrie.
Het probleem: zout dat weglekt
Toch zitten zulke zouten nog nauwelijks in gebouwen. Als ze smelten, worden ze vloeibaar. Ze lekken weg en kunnen in laagjes uiteenvallen, waardoor ze na een tijdje minder goed werken. Ingenieurs probeerden het zout op te sluiten in poreuze dragers of kleine capsules. Maar dan bestaat het materiaal meestal voor minder dan 70 procent uit zout, en het maken wordt ingewikkelder.
Salogels pakken het anders aan. Een klein beetje polymeer, een stof van lange ketenmoleculen, vormt een netwerk dat het gesmolten zout op zijn plek houdt. Vergelijk het met gelatine die van vloeistof een pudding maakt. Bij varianten waarin de verbindingen in dat netwerk kunnen breken en weer herstellen, blijft 80 tot 95 procent van de opslagcapaciteit van puur zout over.
Het netwerk helpt ook bij een tweede probleem. Sommige zouten blijven vloeibaar, ook als het al koud genoeg is om te stollen. Dat ken je misschien van een herbruikbare handwarmer met een metalen plaatje erin. Daarin zit natriumacetaat, ook een zout met water in zijn kristallen. Na het koken blijft het vloeibaar, ook als het is afgekoeld. Pas als je het plaatje knikt, stolt het zout en wordt de handwarmer warm, tot zo'n 50 graden. In een handwarmer is dat handig, maar in een muur niet. Daar blijft de opgeslagen warmte dan zitten, terwijl je die juist wilt gebruiken zodra het afkoelt. Het team van hoogleraar Svetlana Sukhishvili ontdekte eerder dat het polymeernetwerk verandert hoe het zout kristalliseert. Zo helpt het voorkomen dat het zout te lang vloeibaar blijft.
Van vloer tot raam
De onderzoekers zien twee manieren om de gels in gebouwen te gebruiken. In daken, muren en ramen vangen ze vanzelf de warmte van de dag op en geven die 's nachts terug. Ook kunnen ze worden ingebouwd in apparaten als airco's en boilers.
De proeven tot nu toe zijn klein, maar veelbelovend. In een modelhuis lagen drie buizen met gel onder de vloer, met hetzelfde zout als in de handwarmer. De warmte kon naar keuze uit één, twee of alle drie de buizen worden vrijgegeven. In een 3D-geprint huisje met gel op de muren bleef het binnen merkbaar koeler dan in eenzelfde huisje zonder gel, zolang de gel smolt. Toen de gel weer stolde, was het er juist veel warmer. In ramen smelt de gel overdag; het raam blijft dan doorzichtig en de gel neemt warmte op. 's Nachts stolt hij, geeft warmte af en wordt het raam ondoorzichtig.
Onderzoeker Kartik Kumar Rajagopalan, die het werk leidde, ziet salogels als materialen die warmte niet alleen opslaan, maar ook omzetten. Door precies te begrijpen hoe polymeer en zout elkaar beïnvloeden, kan zijn groep materialen ontwerpen voor echte toepassingen. Behalve aan gebouwen denkt het team aan batterijen, het koel houden van elektronica, slimme ramen en coatings tegen ijsvorming.
Ramen open op een zomernacht
Veel mensen zetten tijdens een hittegolf 's avonds de ramen open zodra het buiten koeler is dan binnen. Met zulke materialen in de muren werkt dat juist goed. Bij welke temperatuur het zout smelt, ligt al vast als het bouwmateriaal wordt gemaakt. De fabrikant stemt dat smeltpunt af op het klimaat waar het gebouw komt te staan, net boven een prettige binnentemperatuur. Bij vergelijkbare materialen die al in wanden en plafonds worden getest, ligt het meestal tussen de 22 en 27 graden.
Overdag smelt de gel dan en vangt hij warmte op, zodat het binnen minder snel opwarmt. 's Nachts stolt hij en geeft hij die warmte weer af. Met de ramen open gaat die warmte meteen naar buiten, en is de gel de volgende ochtend weer klaar voor een nieuwe warme dag. Daarom werkt zo'n gel het best samen met ventilatie 's nachts, via open ramen of een ventilatiesysteem.
Wel moet het 's nachts binnen koel genoeg worden. Blijft het warmer dan het smeltpunt, dan stolt de gel niet en kan hij de volgende dag geen warmte meer opvangen. Hij doet dan geen kwaad, maar helpt ook niet. Daarom is het zo belangrijk dat het zout betrouwbaar stolt zodra het afkoelt: zo telt elke koele nacht mee.
De volgende stappen
Er is nog werk te doen. Stevige gels slaan minder warmte op dan zachte, terwijl een bouwmateriaal juist stevig moet zijn. Ook moet blijken hoe de gels tegen vocht kunnen, hoe je ze op grote schaal maakt, hoe lang ze meegaan als ze duizenden keren smelten en stollen, en hoeveel energie een echt gebouw ermee bespaart.
Daar werken de onderzoekers nu aan. Ze willen de gels sterker maken, ervoor zorgen dat het zout nog beter op tijd stolt, en de gels met 3D-printers en als vezels gaan maken. Ook stellen ze zoutmengsels voor waarvan het smeltpunt precies kan worden afgestemd, en polymeren die zelf ook warmte opslaan. Om sneller de goede combinaties te vinden, willen ze computersimulaties en AI inzetten. Het doel is een stevig, recyclebaar materiaal dat jarenlang meegaat in onze huizen. Het onderzoek wordt betaald door de Amerikaanse National Science Foundation.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Verwarmen en koelen van gebouwen kost wereldwijd heel veel energie. Een muur of raam die zonder stroom de warmte van de middag bewaart voor de avond, is daarom een mooie stap. Dat is ook goed nieuws voor AI, dat zelf steeds meer stroom vraagt: denk aan de extra stroom die Google en Meta inkopen voor hun datacenters.
Juist hier kan AI het werk versnellen. Er zijn talloze combinaties van zouten, mengsels en polymeren. Elke combinatie testen in het lab kost weken, omdat het materiaal steeds opnieuw moet smelten en stollen. Een AI-model dat leert van alle metingen tot nu toe, kan voorspellen welke combinaties een goede gel vormen en op tijd hun warmte afgeven. De universiteit noemt zo'n hulpmiddel al als doel. Bovendien kent een groot AI-model de bouw, de batterijtechniek en de elektronica tegelijk. Zo'n model kan sneller zien dat een gel die voor een muur is bedacht, ook een batterij of chip koel kan houden. Zo kan een slim gelletje in de muur via AI de weg vinden naar veel meer toepassingen.
