Farbe

Forscher der University of Chicago haben ein Verkleidungsmaterial erfunden, das seine Farbe ändert, um beim Heizen oder Kühlen zu helfen, und das nachgerüstet werden könnte, um die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern.

Das Verbundmaterial besteht aus mehreren verschiedenen Schichten, darunter Kupferfolie, Kunststoff und Graphen, und kann abhängig von der Außentemperatur seine Infrarotfarbe ändern – die Farbe, die es auf der Wärmebildaufnahme erscheint.

Gleichzeitig verändert es auch die Menge an Infrarotwärme, die es vom Gebäude absorbiert oder abgibt. An heißen Tagen erscheint das Material im Wärmebild gelb, was darauf hindeutet, dass es mehr Wärme abgibt, während es an kalten Tagen violett erscheint, weil es diese Wärme speichert.

Bei der Verwendung an einer Fassade – beispielsweise in Form von Schindeln – könnte das Material möglicherweise den Bedarf an Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK) reduzieren und den Gesamtenergieverbrauch eines Gebäudes senken.

„Wir haben im Wesentlichen eine Niedrigenergiemethode gefunden, um ein Gebäude wie einen Menschen zu behandeln: Man fügt eine Schicht hinzu, wenn einem kalt ist, und entfernt eine Schicht, wenn einem heiß ist“, sagte Materialingenieur Po-Chun Hsu vom Pritzker School of Molecular Engineering, der die Forschung leitete.

„Mit diesem intelligenten Material können wir die Temperatur in einem Gebäude ohne großen Energieaufwand aufrechterhalten.“

Eine Fassadenverkleidung reagiert wie ein Chamäleon auf die Temperatur

Die University of Chicago beschreibt das Material als „chamäleonartig“, da es seine Farbe als Reaktion auf die Außentemperatur ändern kann.

Bei einer gewählten Auslösetemperatur verbraucht das Material eine kleine Menge Strom, um Kupfer entweder auf einem dünnen Film abzuscheiden oder es abzulösen.

Durch diese chemische Reaktion wird die zentrale Schicht des Materials – eine wasserbasierte Elektrolytlösung – effektiv in festes Kupfer umgewandelt. Das Kupfer mit geringer Emission trägt dazu bei, die Wärme zu speichern und das Innere eines Gebäudes zu erwärmen, während die wässrige Schicht mit hoher Emission das Gebäude kühl hält.

Die Schicht aus wasserbasierten Elektrolyten trägt außerdem dazu bei, das Material nicht brennbar zu machen, und die Forscher beschreiben den Übergangsprozess von Metall zu Flüssigkeit und wieder zurück als „stabil, nichtflüchtig, effizient und mechanisch flexibel“.

„Sobald Sie zwischen den Zuständen wechseln, müssen Sie keine Energie mehr aufwenden, um in einem der Zustände zu bleiben“, sagte Hsu. „Für Gebäude, in denen man nicht so häufig zwischen diesen Zuständen wechseln muss, ist der Stromverbrauch also wirklich sehr gering.“

Material könnte den Energieverbrauch um acht Prozent senken

Im Rahmen ihrer in der Fachzeitschrift „Nature Sustainability“ veröffentlichten Studie erstellten die Forscher außerdem Modelle, um die Energieeinsparungen zu testen, die durch den Einsatz ihres Materials an Gebäuden in 15 US-Städten, die 15 Klimazonen repräsentieren, erzielt werden könnten.

Sie stellten fest, dass das Material in Gebieten mit starken Wetterschwankungen durchschnittlich 8,4 Prozent des jährlichen HVAC-Energieverbrauchs eines Gebäudes einsparen kann. Gleichzeitig benötigte das Material für seinen Betrieb lediglich 0,2 Prozent des gesamten Strombedarfs des Gebäudes.

Derzeit sind der Bau und der Betrieb von Gebäuden für fast 37 Prozent der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich, wobei der größte Teil auf den Gebäudebetrieb einschließlich Beleuchtung, Heizung und Kühlung zurückzuführen ist.

Um diese Emissionen zu reduzieren, könnte das Material zur Nachrüstung schlecht isolierter oder historischer Gebäude und zur Verbesserung ihrer Energieeffizienz verwendet werden, da die Installation nach Ansicht der Forscher bequemer wäre als die Isolierung.

Allerdings sind einige seiner Komponenten – darunter das einschichtige Graphen- und Gold-Mikrogitter, das als transparente leitfähige Schichten verwendet wird – derzeit noch teuer und kompliziert in der Herstellung.

Bisher haben die Forscher lediglich sechs Zentimeter breite Abschnitte des Materials hergestellt, stellen sich aber vor, sie wie Schindeln zu größeren Platten zusammenzufügen.

Wenn die wässrige Schicht aktiv ist, hat das Material eine dunkelweiße Farbe, die sich bei aktiver Kupferschicht in ein Kupferbraun verfärbt.

Das Material könnte aber auch so angepasst werden, dass es verschiedene Farben zeigt, indem man hinter der transparenten wässrigen Schicht eine Pigmentschicht hinzufügt.

Eine andere Möglichkeit, Gebäude kühl zu halten, besteht darin, sie weiß zu streichen. Zu diesem Zweck haben Forscher der Purdue University kürzlich die „weißeste Farbe aller Zeiten“ entwickelt, die 98 Prozent des Sonnenlichts reflektiert.

Bilder mit freundlicher Genehmigung der Hsu Group.

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