Das Startup eines Ingenieurprofessors an der U of T erhält Bundesmittel für die Herstellung von Solarenergie

Das perfekte Fenster: Das ist das Ziel des ECE-ProfessorsNazir Cheraniund seine Mitarbeiter beim Startup 3E Nano Inc.

Ein Aspekt dieses perfekten Fensters ist eine nanodünne Fensterbeschichtung, die den Wärmeschutz für Wohn- und Gewerbefenster mehr als verdoppeln kann. Diese Technologie ist nun auf dem Weg zur Kommerzialisierung, unter anderem dank der Ende Februar angekündigten Bundesfinanzierung von Sustainable Development Technology Canada in Höhe von 5 Millionen US-Dollar.

„Fenster sind das schwächste Energieglied in jedem Gebäude“, sagt Kherani, Mitbegründer von 3E Nano im Jahr 2015. „Denken Sie an die Wärme, die in den Wintermonaten entweicht, und an die Wärme, die in den Sommermonaten in den kühlen, belüfteten Raum gelangt.“

„Der Widerstand eines Fensters gegen den Wärmefluss wird anhand des R-Werts gemessen. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit, zu verhindern, dass Wärme in ein Gebäude hineinfließt oder aus diesem entweicht. Derzeit werden 3E-Nano-Fenster – sowohl im Prototyp als auch in der Pre-Alpha-Bereitstellung – mit R8 und höher bewertet. Dies ist ein bemerkenswerter Vergleich zu einem durchschnittlichen Fenster, dessen R-Wert im Bereich von R1 einer Einzelscheibe bis R3 einer Doppelscheibe liegt.“

Wie konnte 3E Nano dieser Durchbruch erzielen? In ihrer einfachsten Konfiguration besteht die 3E-Nano-Beschichtung aus einem nanodünnen Metallfilm, der zwischen zwei saphirähnlichen nanodünnen Filmen liegt. Dieser dreischichtige Dielektrikum-Metall-Dielektrikum-Stapel ist für bestimmte Lichtwellenlängen undurchlässig, für andere jedoch nicht. Dadurch kann die Beschichtung den Lichtfluss steuern, der über drei Teile des Sonnenspektrums in das Gebäude eindringt und es verlässt: das sichtbare, das nahefrequente Infrarot und das mittelfrequente Infrarot.

Sowohl Licht im nahen Infrarotbereich, das fast die Hälfte der Gesamtenergie der Sonne ausmacht, als auch Licht im mittleren Infrarotbereich können reflektiert werden. Dadurch wird verhindert, dass die Sonnenwärme in die Innenräume eindringt, aber auch, dass die Raumwärme im Inneren des Gebäudes (d. h. Strahlung im mittleren Infrarotbereich) durch die Fenster entweicht, wodurch ein niedriger Emissionsgrad erreicht wird. Gleichzeitig gelangt natürliches sichtbares Licht durch das Fenster in den Innenraum, wodurch der Bedarf an künstlicher Innenbeleuchtung verringert wird.

Kherani glaubt, dass die Beschichtung von 3E Nano auf dem besten Weg ist, ein Mainstream-Produkt zu werden. Er schreibt der Branchenerfahrung des Teams von 3E Nano einen entscheidenden Dreh- und Angelpunkt in der Forschung zu.

„Die Kombination von in der Erde vorkommendem Aluminium und Stickstoff führt zu einem Beschichtungsmaterial, das in seinen optischen und strukturellen Eigenschaften Saphir ähnelt“, sagt er. „Die Stabilität und der multifunktionale Charakter der saphirähnlichen Struktur eignen sich für eine kostengünstige Fertigung in großen Stückzahlen.“

Im Wesentlichen handelt es sich bei der Beschichtung um eine eindimensionale Struktur, die nanodünn und dennoch stark ist. Es wird durch Sputtern aufgetragen, ein Prozess, bei dem Argonatome in einem Vakuumsystem auf ein Aluminiumtarget geschleudert werden und die Aluminiumatome wie Billardkugeln in ein leichtes Polymersubstrat geschleudert werden.

Nach Zugabe von Stickstoffgas bildet die resultierende chemische Reaktion einen farblosen, saphirähnlichen Film mit einer Dicke von nur einigen zehn Nanometern (ungefähr ein Tausendstel der Dicke einer Haarsträhne). In Kombination mit einer nanodünnen Silberschicht entsteht eine robuste Beschichtung, deren optische und elektrische Eigenschaften abgestimmt werden können.

Kherani und sein Team stellen sich andere Aspekte des perfekten Fensters als integrierte Funktionalitäten vor, die von der Metamaterialstrukturierung bis hin zu dynamischen Systemen reichen, die ideale Temperaturen und Tageslicht in Gebäuden aufrechterhalten.

„Im Labor haben wir ein Metamaterial geschaffen, das niedrige Emissions- und Sonnenschutzeigenschaften beibehält, aber eine hohe Transparenz im Gigahertz-Bereich aufweist, der für die Kommunikation entscheidend ist – von der Natur inspiriert mit nahezu unsichtbaren sechseckigen Wabenmustern“, sagt Kherani.

„Professor Kherani hat ein Auge auf Nachhaltigkeitslösungen, die skalierbar bleiben“, sagt ECE-LehrstuhlprofessorDeepa Kundur . „Sein Startup 3E Nano ist ein leuchtendes Beispiel dafür, wie die Industrie die Forschung gestalten und steuern kann, und er hat 3E Nano jede Chance gegeben, einen positiven Einfluss auf den grünen Markt zu nehmen.“

Kundur weist auch darauf hin, dass es Forschern wie Kherani zu verdanken ist, dass die U of T kürzlich zu einer der zehn besten Forschungseinrichtungen für globale Innovation ernannt wurde.

Kherani ist durch die Fortschritte von 3E Nano auf jeden Fall ermutigt und optimistisch, was die Fähigkeit des Unternehmens angeht, zur Umgestaltung des Bausektors beizutragen, der bei den energiebedingten Kohlendioxidemissionen knapp hinter dem Transportsektor liegt.

„Obwohl die kürzeste Entfernung von Punkt A zu Punkt B eine gerade Linie ist, ist es nicht einfach, diese gerade Linie zu finden. Andererseits sind wir heute an einer vielversprechenden Stelle und können klar erkennen, wo wir sein müssen.“