Neuartiges Material für nachhaltiges Bauen

Natürliches Licht in Gebäuden ist beliebt und spart Energiekosten. Herkömmliche Glasdächer und -wände bringen jedoch Probleme mit sich, wie Blendung, mangelnde Privatsphäre und Überhitzung. Alternative Lösungen wie Beschichtungen und lichtstreuende Materialien bieten bislang keine umfassende Abhilfe.

Neues Material vereint mehrere Funktionen

Forschende am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT haben ein neuartiges polymerbasiertes Metamaterial entwickelt, das verschiedene Eigenschaften vereint und in Zukunft Glaskomponenten im Baubereich ersetzen könnte. Das sogenannte Polymer-based Micro-Photonic Multi-Functional Metamaterial (PMMM) besteht aus mikroskopisch kleinen Pyramiden aus Silikon. Diese Mikropyramiden messen rund zehn Mikrometer, das entspricht etwa einem Zehntel des Durchmessers eines Haars. Diese Struktur verleiht dem PMMM-Film mehrere Funktionen: Lichtstreuung, Selbstreinigung und Strahlungskühlung bei gleichzeitig hoher Transparenz.

Kühlend, lichtdurchlässig und blendfrei

Im Labor und bei Experimenten unter freiem Himmel testeten die Forschenden die Eigenschaften des Materials. Sie maßen Lichtdurchlässigkeit, Lichtstreuung, Reflexionseigenschaften, Selbstreinigungsfähigkeit und Kühlleistung. Das Ergebnis: In den Versuchen wurde eine Kühlung um sechs Grad Celsius gegenüber der Umgebungstemperatur erreicht. Zudem zeigte das Material eine hohe Transparenz von 95 Prozent im Vergleich zu Glas, das üblicherweise eine Transparenz von 91 Prozent hat. Die Mikropyramidenstruktur streut 73 Prozent des einfallenden Sonnenlichts, was eine blendfreie und verschwommene Optik erzeugt. „Wenn das Material in Dächern und Wänden verwendet wird, ermöglicht es helle und gleichzeitig blendfreie sowie sichtgeschützte Innenräume für Arbeiten und Wohnen. In Gewächshäusern könnte die hohe Lichtdurchlässigkeit die Erträge steigern, weil die Effizienz der Fotosynthese schätzungsweise neun Prozent höher ist als in Gewächshäusern mit Glasdächern“, sagt Dr. Gan Huang, Gruppenleiter am IMT.

Selbstreinigungsfunktion

Die Mikropyramiden verleihen dem PMMM-Film zudem superhydrophobe Eigenschaften, ähnlich wie bei einem Lotusblatt: Wasser perlt in Tropfen ab und entfernt dabei Schmutz und Staub von der Oberfläche. Diese Selbstreinigungsfunktion macht das Material pflegeleicht und langlebig.

Potenzial für Bau und Stadtentwicklung

„Unser neu entwickeltes Material hat das Potenzial, in verschiedenen Bereichen eingesetzt zu werden und leistet einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen und energieeffizienten Architektur“, erklärt Bryce S. Richards. „Das Material kann gleichzeitig für optimale Nutzung von Sonnenlicht in Innenräumen sorgen, passiv kühlen und die Abhängigkeit von Klimaanlagen reduzieren. Die Lösung lässt sich skalieren und nahtlos in Planungen für umweltfreundlichen Hausbau und Stadtentwicklung integrieren“, sagt Huang.
Für ihre Arbeit gewann das Karlsruher Forschungsteam im vergangenen Jahr den 1. Platz beim Public Choice Award des Helmholtz Best Scientific Image-Wettbewerbs.

Bild: Gan Huang, KIT