Wenn ein Material Infrarot (IR) reflektiert, wird auch von einem thermischen Spiegel gesprochen. Stell Dir vor, Du sitzt an einem heißen Sommertag in Deinem Wohnzimmer und Dein Fenster zeigt nach Süden. Die Sonnenstrahlen bestehen nicht nur aus sichtbarem Licht. Es ist auch Infrarot, also Wärmestrahlung, in dem elektromagnetischen Spektrum der Sonne enthalten. Dieses heizt Deine Wohnung auf. Wäre es nicht toll, ein Fenster aus einem Material zu haben, das Infrarot reflektiert und gleichzeitig das Licht in Deine Wohnung hineinlässt? Wir beleuchten in diesem Blogbeitrag, welche Materialien sich als thermische Spiegel eignen und wo sie sonst noch eingesetzt werden.
Die Basics: Reflexion, Absorption und Transmission
Infrarot ist wie Licht elektromagnetische Strahlung. Wenn Infrarot auf ein Material auftrifft, kann es reflektiert (also zurückgeworfen), absorbiert (also vom Material aufgenommen) oder transmittiert werden (es geht durch das Material hindurch). Da Infrarot im elektromagnetischen Spektrum an das sichtbare Licht angrenzt, verhält sich zumindest die Strahlung aus dem nahen IR (0,8 bis 2,5 µm) sehr ähnlich. Aber zum mittleren (2,5 bis 50 µm) und fernen IR (50 bis 1000 µm) sind dann doch bemerkenswerte Unterschiede zu verzeichnen.
Beispiel Glas: Die Transmission für sichtbares Licht und nahes Infrarot ist sehr hoch. Du kannst das daran erkennen, dass eine Fernbedienung mit IR-Diode immer noch funktioniert, wenn Du eine Glasscheibe zwischen Sender und Empfänger hältst. Die in der IR-Diode verwendete Wellenlänge beträgt etwa 0,95 µm. Mittleres Infrarot wird jedoch von Glas stark absorbiert. Besonders die Wärmestrahlung von Körpern mit Temperaturen zwischen 20 °C und 100 °C geht nicht durch Glas hindurch.
Beispiel CO2 (Treibhauseffekt): Mittleres Infrarot regt bestimmte Moleküle zu Schwingungen an. Kohlendioxid ist ein besonders Infrarot-aktives Molekül, welches Strahlung von 4,2 µm und 15 µm Wellenlänge absorbiert. Sichtbares Licht macht hingegen nichts mit dem Molekül.
Welche Materialien mit welcher Farbe reflektieren Infrarot?
Die Farbe ist eine Eigenschaft des sichtbaren Lichts. Infrarot ist unsichtbar, deshalb lässt sich an der Farbe des Materials nicht unbedingt erkennen, ob es Infrarot gut reflektiert oder nicht. Trotzdem gilt, dass für das nahe IR zwei Dinge weiterhin anwendbar sind. Weiße Materialien reflektieren nahes Infrarot und schwarze Materialien reflektieren es nicht.
Mit Blick auf andere Farben ist beispielsweise bekannt, dass grüne Vegetation nahes Infrarot sechsmal stärker reflektiert als sichtbares Licht. Dies liegt am Chlorophyll und gilt daher nicht gleichermaßen für andere grüne Gegenstände. Dieser Umstand wird zur Charakterisierung von Vegetationsflächen genutzt, wobei jeweils Bilder im sichtbaren und im nahen IR-Bereich aufgenommen werden. Durch Vergleich der Bilder lassen sich Gesundheitszustand, Trockenheit, aber auch Pilzbefall der Vegetation erkennen.
Oberflächenbeschaffenheit von Materialien, die Infrarot reflektieren
Farbe ist also kein entscheidendes Kriterium, um Materialien zu erkennen, die Infrarot reflektieren. Vielmehr ist die Oberflächenbeschaffenheit wichtig. Um beispielsweise Fenster herzustellen, die nahes IR nicht durchlassen, wird mit Beschichtungen gearbeitet. Diese Beschichtungen bestehen aus Materialien, die Infrarot reflektieren können. Die Firma Merck bietet beispielsweise Pigmente an, die kleinste Silikatmineralplättchen enthalten. Wenn die Beschichtung passend formuliert wird, wird ein großer Anteil des nahen Infrarots reflektiert, während sichtbares Licht weiterhin passieren kann. Es gibt andere Beschichtungen, bei denen das Verhalten gegenüber sichtbarem weniger relevant ist. So werden beispielsweise Anstriche – zunächst in flüssiger Form – auf Außenfassaden oder in Heizkörpernischen appliziert, um Wärmestrahlung zu reflektieren. Dies sind Maßnahmen zur Dämmung und zum Energiemanagement. Die besten thermischen Spiegel bleiben aber blanke Metalloberflächen. Solche Oberflächen lassen sich auf anderen Materialien, beispielsweise durch Metalldampfbeschichtung, erzeugen.
Weitere Anwendungen von Materialien, die Infrarot reflektieren
Es folgen zwei weitere Praxisbeispiele, die zeigen, welchen wertvollen Beitrag Materialien leisten können, die Infrarot reflektieren.
Infrarotscanner
Auf Verpackungen, besonders auf Lebensmittelverpackungen, kann es wichtig sein, schnellen Zugriff auf Informationen wie Barcodes oder Haltbarkeitsdaten zu bekommen. Dies geschieht mittels Infrarotscanner. Der Aludeckel eines Joghurts kann bunt bedruckt sein und das schwarze Haltbarkeitsdatum oder ein Barcode aus schwarzen Streifen kann aufgrund des unruhigen farbigen Hintergrunds vom menschlichen Auge nur schwer erfasst werden. Einen IR-Scanner interessieren die bunten Farben jedoch nicht. Das Infrarot wird vom Alu-Deckel reflektiert, egal wie er bedruckt ist. Nur das schwarze Haltbarkeitsdatum oder der Barcode werden nicht reflektiert. Das IR-Bild ist demnach sehr kontrastreich und ermöglicht ein einfaches Auslesen.
Halogenreflektorlampen
Halogenlampen mit der typischen kegelartigen Reflektorform stellen eine fast doppelt so effiziente Art der Lichterzeugung dar wie normale Halogenlampen. Der Grad dafür ist die Infrarot reflektierende Eigenschaft des Reflektor-Materials. Wenn ein Strom fließt, wird der Glühdraht erhitzt. Bei einer gewissen Temperatur strahlt er sichtbares Licht, aber auch längerwelliges Infrarot ab. Letzteres wird vom Reflektor wieder in Richtung Glühdraht zurückgeworfen und leistet wiederum einen Beitrag zur Erwärmung des Glühdrahts. Damit dieser auf der geforderten Temperatur zur Lichterzeugung bleibt, wird nun weniger Strom benötigt. Die Glühlampe arbeitet demnach effizienter.
Zusammenfassung: Welche Materialien reflektieren Infrarot?
Infrarot wird von Materialien reflektiert, die besondere Oberflächeneigenschaften aufweisen. Diese sind:
- blanke Metalle
- weiße Materialien
- Beschichtungen mit entsprechenden Formulierungen und Inhaltsstoffen
- Sonderfall: grüne Vegetationsoberflächen, Blätter
Die sogenannten thermischen Spiegel finden besonders im Bauwesen Anwendung, wo sie für Wärmedämmung und Energiemanagement relevant sind. Aber auch für Infrarotscanner oder Halogenlampen sind Materialien, die Infrarot reflektieren, von besonderer Bedeutung.