Nachhaltiges Bauen: transparentes Metamaterial als Schlüssel zur Energieeinsparung

Wie bauen wir in Zukunft? Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und Komfort sind zentrale Anforderungen, die moderne Materialien erfüllen müssen. Herkömmliche Baumaterialien wie Glas stoßen dabei an ihre Grenzen – beispielsweise, wenn es um den Schutz vor Blendung oder Überhitzung geht. Hier setzt ein neues, polymerbasiertes Material an, das natürliche Beleuchtung und Wärmeregulierung auf intelligente Weise kombiniert und so den Energieverbrauch senkt.

Im Interview mit dem K-Mag spricht Dr. Gan Huang über die Entwicklung dieses multifunktionalen Materials, seine besonderen Eigenschaften und die potenziellen Anwendungen in der Architektur und darüber hinaus.

Herr Dr. Huang, was war die Motivation für die Entwicklung des neuen polymerbasierten Materials und welche Probleme sollte es lösen?

Dr. Gan Huang: Wir wollten mehrere Probleme angehen, die mit herkömmlichen transparenten Dächern und Wänden für Gebäude verbunden sind, z.B. Blendung, Bedenken hinsichtlich der Privatsphäre und Überhitzung. Diese Probleme können dazu führen, dass man sich in Innenräumen unwohl fühlt, der Energieverbrauch für die Kühlung steigt und die Produktivität sinkt. Unser Ziel war es, ein Material zu entwickeln, das nicht nur natürliches Licht in Gebäude einlässt, sondern auch Licht und Wärme auf eine Art und Weise steuert, die den Innenraumkomfort erhöht, den Energieverbrauch reduziert und das Wohlbefinden der Bewohner verbessert.

Können Sie die besonderen Eigenschaften Ihres neu entwickelten Materials erläutern?

Huang: Das sogenannte Polymer-based Micro-Photonic Multi-Functional Metamaterial (PMMM) streut 73% des einfallenden Sonnenlichts, was die Blendung reduziert und eine angenehmere Innenraumbeleuchtung ermöglicht. Das Material lässt 95% des sichtbaren Lichts durch, was höher ist als bei herkömmlichem Glas. Darüber hinaus hat das Material einen hohen Emissionsgrad (~0,98) im mittleren Infrarotbereich, wodurch es passiv Wärme abstrahlen und Gebäude kühlen kann, ohne Strom zu verbrauchen. Seine superhydrophoben Eigenschaften mit einem Kontaktwinkel von 152° helfen dabei, die Oberfläche sauber zu halten, indem sie Wasser und Staub abweisen.

Inwieweit ermöglicht das Material eine nachhaltigere Bauweise?

Huang: Indem es den Bedarf an künstlicher Beleuchtung und den Einsatz von Klimaanlagen minimiert, senkt es den Gesamtenergieverbrauch von Gebäuden. Das Material trägt zur Aufrechterhaltung einer angenehmen Innentemperatur bei und verringert so die Abhängigkeit von Klimaanlagen. Seine selbstreinigenden Eigenschaften verringern den Bedarf an häufiger Reinigung und Wartung, was im Laufe der Zeit Ressourcen und Kosten einsparen kann. Da das Material aus handelsüblichen und umweltverträglichen Polymeren hergestellt wird, kann es in großem Maßstab ohne nennenswerte Auswirkungen auf die Umwelt produziert werden, was zu einer nachhaltigeren Baupraxis beiträgt.

Welche praktischen Anwendungen sehen Sie für das Material?

Huang: Wir sehen ein breites Spektrum von Anwendungen für das PMMM. Im Bauwesen kann es in Dächern und Wänden eingesetzt werden, um die natürliche Beleuchtung und den thermischen Komfort in Wohn- und Geschäftsgebäuden zu verbessern. In Gewächshäusern können durch die Verbesserung der Lichtstreuung und der Photosynthese das Pflanzenwachstum und der Ertrag gesteigert werden. In der Automobilindustrie kann es bei Autoscheiben und Schiebedächern eingesetzt werden, um Blendung und Hitze zu reduzieren und so den Komfort der Insassen zu verbessern.

Was waren die Herausforderungen bei der Entwicklung dieses Materials und wie wurden sie gemeistert?

Huang: Eine große Herausforderung war die Materialauswahl. Wir mussten ein Polymer finden, das nicht nur transparent und haltbar ist, sondern auch ein hohes Emissionsvermögen im mittleren Infrarotbereich aufweist. Polydimethylsiloxan erfüllte diese Anforderungen. Die Herstellung war eine weitere Herausforderung, da die Erzeugung der Mikropyramidenstrukturen präzise Photolithographie- und Ätztechniken erforderte. Wir optimierten diese Verfahren, um eine konsistente und skalierbare Produktion zu gewährleisten. Um die Eigenschaften und die Leistung des Materials zu bestätigen, waren umfangreiche Tests erforderlich, die wir sowohl im Labor als auch im Freien durchführten, um unsere Ergebnisse zu validieren.

Wie könnte das neue Material in bestehende Bau- und Stadtentwicklungsprojekte integriert werden?

Huang: Das Material kann als Folie oder Beschichtung auf bestehende Glasstrukturen aufgetragen werden, um deren Leistung zu verbessern. Bei neuen Konstruktionen kann es als Teil des ursprünglichen Entwurfs für neue Gebäude verwendet werden und herkömmliches Glas in Fenstern, Dächern und Wänden ersetzen. Darüber hinaus kann PMMM in modularen Paneelen hergestellt werden, die sich leicht in eine Vielzahl von Gebäudetypen und -stilen einbauen lassen, was es zu einer vielseitigen Lösung für unterschiedliche bauliche Anforderungen macht.

Welche Rolle könnten polymerbasierte Materialien im Bauen der Zukunft spielen?

Huang: Polymerbasierte Materialien wie das PMMM könnten eine wichtige Rolle für die Zukunft des Bauwesens spielen, indem sie die Nachhaltigkeit verbessern. Ihre energieeffizienten Eigenschaften können zu umweltfreundlicheren Gebäuden und einem geringeren CO₂-Fußabdruck beitragen. Durch eine effektivere Licht- und Wärmeregulierung können sie ein gesünderes und komfortableres Innenraumklima schaffen. Ihre Vielseitigkeit ermöglicht innovative architektonische Entwürfe, bei denen das natürliche Licht und die Ästhetik im Vordergrund stehen. Darüber hinaus können die Langlebigkeit und die geringen Wartungsanforderungen dieser Materialien die langfristigen Kosten für Gebäudeeigentümer und -betreiber senken, was sie zu einer praktischen und kostengünstigen Wahl für künftige Bauprojekte macht.