Kühlvorhang statt Klimaanlage

Alles begann mit einer vagen Idee: ?Wir dachten, es w?re interessant, gegens?tzliche Funktionen in einem Material zu verbinden?, erz?hlt Mario Stucki, Doktorand am Functional Materials Laboratory der ETH Z¨¹rich. Er kombinierte zwei Lagen von hydrophobem (wasserabstossendem) Polyethuran mit einer mittleren Lage aus hydrophilem (wasseranziehendem) Polymer. Die resultierende Membran f¨¹hlt sich trocken an, obschon sie mit Wasser getr?nkt ist. Und da die ?usseren Schichten mit L?chern von rund einem  Mikrometer Durchmesser ¨¹berzogen sind, kann Wasser aus der mittleren Schicht in die Umgebung entweichen.

Alternative f¨¹r hitzegeplagte Gebiete

Als Stucki realisierte, wie gut der Wassertransport ¨¹ber die verschiedenen Schichten hinweg funktioniert, kam die Idee mit dem K¨¹hlvorhang auf. ?Das Verdampfen von Wasser ben?tigt viel Energie?, erkl?rt Stucki. ?Dabei wird der Luft W?rme entzogen, sie k¨¹hlt sich ab, und gleichzeitig steigt die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung.? Herk?mmliche Luftbefeuchter arbeiten genauso ¨C brauchen daf¨¹r jedoch viel Strom. Stuckis System hingegen ist passiv. ?Die Sonnenstrahlung, die durch ein Fenster auf den Vorhang f?llt, liefert genug Energie f¨¹r diese Art der Raumklimatisierung.?

F¨¹r heisse und trockene Gebiete k?nnten solche Vorh?nge ein Segen sein. Auf der Arabischen Halbinsel litten die Menschen 2015 an einer Hitzewelle mit Temperaturen von ¨¹ber 50¡ãC. Und Klimawissenschaftler prognostizieren f¨¹r W¨¹stengebiete noch h?here Temperaturen und gr?ssere Trockenheit. Das k?nnte sogar dazu f¨¹hren, dass bestimmte Klimazonen unbewohnbar werden. Geb?ude und R?ume zu k¨¹hlen, wird deshalb zunehmend essentiell, verschlingt jedoch Unmengen an Strom. In den USA zum Beispiel gehen heute rund 15 Prozent des Energieverbrauchs auf Klimager?te zur¨¹ck. Ein Grossteil der Energie stammt aus fossilen Quellen. Der passive K¨¹hlvorhang w?re eine umwelt- und klimaschonende Alternative.

Weiterentwicklung einer fr¨¹heren Innovation

Stucki sorgte bereits 2013 mit seiner Masterarbeit an der ETH Z¨¹rich f¨¹r Aufsehen: In k¨¹rzester Zeit entwickelte er ein neuartiges Material f¨¹r den Outdoor-Bereich. Dieses enth?lt im Gegensatz zu ¨¹blichen funktionalen Textilien keine umwelt- und gesundheitssch?dlichen Fluorverbindungen.

Seine aktuelle Forschung greift auf die damalige Erfindung zur¨¹ck: Er funktionalisierte sein Textil ¨¹ber Platzhalter. Dazu mischte er winzige Kalkpartikel in das fl¨¹ssige Polymer, das sp?ter zum Textil verarbeitet wird. Der Kalk kann anschliessend durch Behandlung mit Salz- oder Essigs?ure aus dem festen Material herausgel?st werden, so dass an den Stellen der Nanopartikel winzige L?cher entstehen. Diese sind n?tig, damit das Material funktional ist und ?atmen? kann. Die Aussenw?nde des K¨¹hlvorhangs sind aus einem solchen por?sen Kunststoff gefertigt, damit die mittlere, hydrophile Schicht das Wasser ¨¹berhaupt an die Umgebung abgeben kann.

Um die verschiedenen Lagen zu einem Material zu kombinieren, konnte Stucki auf eine Methode zur¨¹ckgreifen, die 2012 von ETH-Professor Wendelin Stark und seiner Gruppe entwickelt worden war. Dabei werden die verschiedenen Schichten nicht miteinander verklebt, wie in industriellen Prozessen ¨¹blich. Vielmehr werden sie in einem geeigneten L?sungsmittel aufeinandergelegt, wodurch die ?usseren Schichten leicht angel?st werden und sich mit der mittleren verbinden. Nur so k?nnen die Forscher sicherstellen, dass das Aussenmaterial der Membrane por?s bleibt.

?Proof of concept? gegl¨¹ckt

Die grunds?tzliche Funktionalit?t des K¨¹hlvorhangs konnte Stucki im Versuch beweisen. Daf¨¹r steckte er die dreilagige Membrane in ein Wasserbad und mass bei 30¡ãC und 50 Prozent Luftfeuchtigkeit die Wasserabgabe an die Umgebung (zwischen 1,2 und 1,7 Kilogramm Wasser pro Tag und Quadratmeter). Die Forscher rechneten die Ergebnisse auf ein kubisches Geb?ude von 10 Meter Seitenl?nge hoch. Die darin verf¨¹gbare Vorhangfl?che von 80m² reicht, um bei 40¡ãC Aussentemperatur und 30¡ãC Innentemperatur mehr W?rme abzuf¨¹hren als die Sonne ¨¹ber die Einstrahlung zuf¨¹hrt. Das Haus w¨¹rde somit passiv abgek¨¹hlt.

?Wir konnten zeigen, dass unser System grunds?tzlich funktioniert?, sagt Stucki. ?Doch f¨¹r eine Kommerzialisierung m¨¹ssten noch viele Fragen gekl?rt werden.? Zum Beispiel wie sich das Material mikrobiologisch verh?lt. Denn hohe Temperaturen und Feuchtigkeit bilden den idealen N?hrboden f¨¹r das Wachstum von Bakterien und Pilzen. Der Kunststoff f¨¹r den Aussenmantel k?nnte jedoch relativ einfach mit antiseptischen Materialien ersetzt werden, sagt Stucki. Dies sei einer der Vorteile der Funktionalisierung ¨¹ber Kalknanopartikel.

Eine weitere Herausforderung ist, dass die Vorh?nge ¨¹ber die Gesamtfl?che Wasser verdampfen k?nnen. Daf¨¹r muss der Wassertransport in der Membran noch verbessert werden. Und schliesslich ist noch unklar, wie lange die Membran stabil funktionieren w¨¹rde.

Stucki wird sich nach Abschluss seines Doktorats im Sommer erst einmal auf die Kommerzialisierung von fluorfreien Outdoor-Textilien konzentrieren. Daf¨¹r sucht er aktuell Finanzierungspartner. Er schliesst allerdings nicht aus, dass auch die neuartige Membran Potenzial im Outdoor-Bereich hat. Denn sie eignet sich bestens, um Schweiss kontrolliert und gerichtet abzuf¨¹hren ¨C eine der wichtigsten Eigenschaften von funktionalen Textilien.