Metamaterial: Das Glasdach der Zukunft kühlt und reinigt sich selbst
Glas ist ein beliebter Baustoff: Fenster können nicht groß genug sein, am besten soll die ganze Fassade aus Glas sein. Das macht helle Räume, die sich aber im Sommer stark aufheizen. Auch die Privatsphäre leidet. Ein neues Material, das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt wurde, soll das ändern.
Polymer-based Micro-Photonic Multi-Functional Metamaterial (PMMM) nennt das Team um Gan Huang das Material, das auf dem Silikon Polydimethylsiloxan (PDSM) basiert. Es sei lichtdurchlässiger als Glas, aber nicht transparent, teilte das KIT mit(öffnet im neuen Fenster) . Es kann kühlen, und es reinigt sich auch noch selbst.
PMMM ist ein Metamaterial, das bedeutet, dass es Eigenschaften hat, die in der Natur nicht vorkommen. Diese erhält es von der Struktur: Es besteht aus mikroskopisch kleinen Pyramiden aus Silikon, die rund zehn Mikrometer groß sind.
PMMM lässt mehr Licht durch als Glas
Die Pyramiden reflektierten Sonnenstrahlen nicht in den Himmel, sondern auf benachbarte Pyramiden, und das reflektierte Licht durchdringt das Material. So lässt PMMM 95 Prozent des einfallenden Lichts durch. Bei Glas sind es 91 Prozent. Da das Licht von den Pyramiden aber auch stark gestreut wird, ist es trotz der hohen Lichtdurchlässigkeit nicht transparent, sondern hat ein milchglasartiges Aussehen.
Das PMMM lässt zwar sichtbares Licht durch, infrarotes mit einer Wellenlänge von etwa 8 bis 13 Mikrometern wird jedoch abgestrahlt. Dadurch ergibt sich Kühlleistung von rund 97 Watt pro Quadratmeter. Bei Tests lag die Temperatur des Materials etwa 6 Grad Celsius unter der Temperatur der Umgebung.
"Ein wesentliches Merkmal ist die Fähigkeit, effizient Wärme durch das langwellige Infrarot-Übertragungsfenster der Erdatmosphäre abzustrahlen und so Wärme in die kalte Weite des Universums abzugeben" , sagte KIT-Forscher Bryce S. Richards. "Das ermöglicht eine passive Strahlungskühlung ohne Stromverbrauch"
Wasser perlt an PMMM ab
Durch die Pyramiden wird die Oberfläche des Materials stark wasserabweisend. Die Forscher vergleichen das mit der Oberfläche eines Lotosblattes. Wasser perlt als Tropfen ab, die schon bei geringer Neigung ablaufen. Das macht die Selbstreinigung des Materials aus: Die Wassertropfen nehmen Schmutz und Staub mit.
Anwendungen sieht das Team vor allem beim Bau: "Wenn das Material in Dächern und Wänden verwendet wird, ermöglicht es so helle und gleichzeitig blendfreie sowie sichtgeschützte Innenräume für Arbeiten und Wohnen" , sagte Huang. "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."
Das KIT-Team beschrieb das Metamaterial in der Fachzeitschrift Nature Communications(öffnet im neuen Fenster) .