Τα σύγχρονα κτίρια βασίζονται συνήθως σε πληθώρα διαφορετικών εγκαταστάσεων για να εξασφαλίσουν ηλεκτρική ενέργεια, καθώς και θέρμανση και ψύξη, ανάλογα με τις ανάγκες και τις επιλογές του εκάστοτε ιδιοκτήτη. Ερευνητές από το Karlsruhe Institute of Technology (KIT) στη Γερμανία, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Stanford, προτείνουν μια διαφορετική λύση: ένα καινοτόμο υβριδικό σύστημα ικανό να προσφέρει ταυτόχρονα και τις τρεις αυτές λειτουργίες από μία και μοναδική επιφάνεια.
Πρόκειται για έναν μηχανισμό που συνδυάζει δύο φαινομενικά ασυμβίβαστες πηγές ενέργειας: τη θερμική ηλιακή ενέργεια από τον ήλιο και το ψύχος του διαστήματος. Στην καρδιά του συστήματος βρίσκεται ένα ειδικό διαφανές στρώμα ψύξης, το οποίο αποβάλλει θερμότητα προς το διάστημα υπό μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας, επιτρέποντας παράλληλα στο ηλιακό φως να διέρχεται ανεμπόδιστα.
Τα ευρήματα της ερευνητικής ομάδας δημοσιεύτηκαν στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Cell Reports Physical Science (DOI: 10.1016/j.xcrp.2026.103492), προσφέροντας νέες προοπτικές για την επίλυση ενός χρόνιου πρακτικού προβλήματος στον τομέα των κτιριακών υποδομών.
Το πρόβλημα του χώρου και η ολοκληρωμένη λύση του KIT
Μέχρι σήμερα, τα φωτοβολταϊκά πάνελ για ρεύμα, οι ηλιακοί θερμοσίφωνες για ζεστό νερό και τα συστήματα κλιματισμού για ψύξη ανταγωνίζονταν έντονα για τον περιορισμένο διαθέσιμο χώρο στις στέγες και τις προσόψεις των κτιρίων. Το δίλημμα των ιδιοκτητών ήταν πάντοτε πώς να επιτύχουν τη μέγιστη δυνατή ενεργειακή αυτονομία χωρίς να δεσμεύσουν υπερβολική επιφάνεια.
Η πρόταση των ερευνητών του KIT υπερβαίνει αυτόν τον περιορισμό, συγκεντρώνοντας την ψύξη, τη θέρμανση και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα ενιαίο πολυλειτουργικό στοιχείο. Όπως ανέφερε χαρακτηριστικά ο επικεφαλής του Hybrid Solar Technologies Lab του KIT, Dr. Gan Huang, η μεγαλύτερη επιστημονική πρόκληση ήταν να συνυπάρξουν στον ίδιο μηχανισμό δύο εκ διαμέτρου αντίθετες διαδικασίες «φέρνοντας μαζί στην ίδια επιφάνεια τη φωτιά και τον πάγο».
Το πρόβλημα είναι πιο επίκαιρο από ποτέ, ιδιαίτερα στη χώρα μας, με τις συνεχώς κινούμενες ανοδικά τιμές των καυσίμων και της ηλεκτρικής ενέργειας.
Πώς λειτουργεί: Φωτιά, πάγος και το ατμοσφαιρικό παράθυρο
Για να λειτουργήσει το σύστημα αρμονικά, χωρίς η μία διεργασία να ακυρώνει την αποτελεσματικότητα της άλλης, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια πολυεπίπεδη διάταξη:
- Διαφανής εκπομπός ψύξης (PDRC): Το ανώτερο στρώμα αποτελείται από υπόστρωμα πυριτίου με ειδική επίστρωση πολυμερούς σιλικόνης (PDMS). Λειτουργεί ως παθητικό «ψυγείο προς το διάστημα», επιτρέποντας στο ορατό ηλιακό φως να περάσει, ενώ ταυτόχρονα εκπέμπει θερμότητα ως υπέρυθρη ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος (LWIR) μέσω του λεγόμενου ατμοσφαιρικού παραθύρου της ζώνης όπου η ατμόσφαιρα της Γης επιτρέπει στη θερμότητα να διαφύγει στο ψυχρό διάστημα.
- Φακός Fresnel: Το ηλιακό φως που διαπερνά το στρώμα ψύξης συγκεντρώνεται με υψηλή ακρίβεια από έναν φακό Fresnel σε μια μικρή εστιακή επιφάνεια.
- Υβριδικός συλλέκτης PVT: Στο σημείο εστίασης βρίσκεται ένας φωτοβολταϊκός θερμικός συλλέκτης (PVT) βασισμένος σε αρσενικούχο γάλλιο (GaAs). Εκεί, το συγκεντρωμένο φως μετατρέπεται ταυτόχρονα σε ηλεκτρικό ρεύμα από το φωτοβολταϊκό στοιχείο και σε υψηλή θερμοκρασία από το θερμικό τμήμα.
Επειδή το θερμικό τμήμα είναι τοποθετημένο χαμηλότερα και παραμένει θερμικά απομονωμένο από το άνω διαφανές στρώμα, η υψηλή θερμοκρασία που παράγεται από τον ήλιο δεν επηρεάζει την απόδοση της ψύξης και αντίστροφα.
Εντυπωσιακές επιδόσεις σε πραγματικές δοκιμές
Κατά τις δοκιμές του πρωτοτύπου σε πραγματικές υπαίθριες συνθήκες, το υβριδικό σύστημα κατέγραψε εξαιρετικά αποτελέσματα:
- Παθητική ψύξη: Το στρώμα ψύξης πέτυχε θερμοκρασία έως 6,5°C κάτω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια της ημέρας.
- Ηλεκτρική ισχύς: Το φωτοβολταϊκό στοιχείο απέδωσε 60,6 W/m² ηλεκτρικής ισχύος.
- Θερμική ενέργεια: Ο ηλιακός συλλέκτης άγγιξε θερμοκρασίες που έφτασαν τους 110,8°C.
Η εξέλιξη αυτή σηματοδοτεί ένα κρίσιμο βήμα στον τομέα της πράσινης τεχνολογίας, με τους ερευνητές να οραματίζονται στέγες και προσόψεις που θα λειτουργούν ως ενεργές επιφάνειες παραγωγής, ενώ παράλληλα η τεχνολογία μπορεί να αποδειχθεί πολύτιμη και για ενεργοβόρες εγκαταστάσεις όπως τα κέντρα δεδομένων (data centers) τεχνητής νοημοσύνης, τα οποία απαιτούν τεράστιες ποσότητες ενέργειας και συνεχή ψύξη.
