Wärmemanagement: Automatischer Schutz vor Hitze und Kälte

Ein intelligentes Verbundmaterial schaltet selbstständig zwischen Reflexion und Absorption von Wärmestrahlen um.

Artikel veröffentlicht am , Wolfgang Kempkens
Mimosenblätter und Folie zum Kühlen und Wärmen
Mimosenblätter und Folie zum Kühlen und Wärmen (Bild: Quan Zhang)

Forscher der Nankai University in der chinesischen Millionenstadt Tianjin haben eine Folie entwickelt, die Wärmestrahlen reflektiert, wenn die darunterliegenden Wohnungen oder Büros sich zu stark aufheizen, die andererseits aber Wärmestrahlen einfängt, wenn es nötig ist. Sie schaltet zwischen den Modi Wärmen und Kühlen selbstständig um, sogar ohne Zufuhr von Fremdenergie. Die bezieht die Folie aus der Umgebungsluft.

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Der Biochemiker Quan Zhang orientierte sich dabei an der Natur. Zum einen hatte er das Himalaya-Kaninchen vor Augen, das ein dunkles Fell trägt, wenn es in einer kalten Region lebt, so dass Wärmestrahlen absorbiert werden. In wärmerer Umgebung ist es dagegen weiß, reflektiert also Wärmestrahlen, so dass es nicht überhitzt. Außerdem beobachtete Zhang Mimosa pudica, eine Pflanze aus der großen Familie der Mimosen. Deren Blätter öffnen und schließen sich als Reaktion auf Temperaturschwankungen.

Zhang machte sich mit seinem Team daran, die beiden Eigenarten in einer technischen Folie zu vereinen, die automatisch vom Wärme- zum Kälteschutz wechselt und umgekehrt. Die Forscher wählten Kunststoffe mit unterschiedlichen farblichen und thermischen Eigenschaften aus, die sie übereinanderlegten.

In kühler Luft rollt sich die obere Folie auf

Zuoberst platzierten sie eine weiße temperaturabhängige Folie. Bei höheren Temperaturen bleibt diese einfach liegen und reflektiert das Infrarotlicht der Sonne. Wird es kälter, rollt sie sich langsam auf und legt die darunterliegende dunkle Folie frei, die die Wärmestrahlen der Sonne absorbiert und die Energie nach unten abstrahlt, also als Raumheizung fungiert. Wenn die Temperatur wieder steigt, rollt die weiße Lage sich ab und verdeckt die dunkle Folie.

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Zhang und sein Team testeten das Verbundmaterial in freier Natur, wo es unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt war. Tatsächlich verhielt es sich so wie die Blätter der Mimose. Messungen ergaben, dass die Wärmeleistung bei rund 860 Watt pro Quadratmeter liegt, also in der Nähe von Wärmekollektoren, die Wasser erhitzen. Die Kühlleistung beträgt etwa 126 Watt pro Quadratmeter.

Der Biochemiker glaubt, dass das Material große Mengen an Strom und fossilen Energien einsparen kann, die bislang fürs Heizen und Klimatisieren benötigt werden. Der Bedarf dürfte angesichts des Klimawandels noch steigen.

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