08. Aug 2017

Stromsparen bei Hitze: Mario Stucki entwickelte eine neuartige Membran, die Räume kühlt. ©Bild: Peter Rüegg / ETH Zürich

Erstaunlich dünn: Die Membran ist kaum dicker als ein Blatt Papier. ©Bild: Peter Rüegg / ETH Zürich

ETHZ: Kühlvorhang statt Klimaanlage spart Strom

(©SS/ETHZ) Trockenheit und Hitze steigen mit dem Klimawandel an. Effiziente Raumkühlung wird deshalb wichtiger. Ein ETH-Doktorand am Laboratorium für funktionale Materialien hat eine Alternative zu strombetriebenen Klimaanlagen entwickelt: einen Kühlvorhang aus einer dreilagigen, porösen Membran.


Alles begann mit einer vagen Idee: «Wir dachten, es wäre interessant, gegensätzliche Funktionen in einem Material zu verbinden», erzählt Mario Stucki, Doktorand am Functional Materials Laboratory der ETH Zürich. Er kombinierte zwei Lagen von hydrophobem (wasserabstossendem) Polyethuran mit einer mittleren Lage aus hydrophilem (wasseranziehendem) Polymer. Die resultierende Membran fühlt sich trocken an, obschon sie mit Wasser getränkt ist. Und da die äusseren Schichten mit Löchern von rund einem Mikrometer Durchmesser überzogen sind, kann Wasser aus der mittleren Schicht in die Umgebung entweichen.

Raumklimatisierung dank Sonnenstrahlung
Als Stucki realisierte, wie gut der Wassertransport über die verschiedenen Schichten hinweg funktioniert, kam die Idee mit dem Kühlvorhang auf. «Das Verdampfen von Wasser benötigt viel Energie», erklärt Stucki. «Dabei wird der Luft Wärme entzogen, sie kühlt sich ab, und gleichzeitig steigt die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung.» Herkömmliche Luftbefeuchter arbeiten genauso – brauchen dafür jedoch viel Strom. Stuckis System hingegen ist passiv. «Die Sonnenstrahlung, die durch ein Fenster auf den Vorhang fällt, liefert genug Energie für diese Art der Raumklimatisierung.»

Klimaschonende Alternative
Für heisse und trockene Gebiete könnten solche Vorhänge ein Segen sein. Auf der Arabischen Halbinsel litten die Menschen 2015 an einer Hitzewelle mit Temperaturen von über 50°C. Und Klimawissenschaftler prognostizieren für Wüstengebiete noch höhere Temperaturen und grössere Trockenheit. Das könnte sogar dazu führen, dass bestimmte Klimazonen unbewohnbar werden. Gebäude und Räume zu kühlen, wird deshalb zunehmend essentiell, verschlingt jedoch Unmengen an Strom. In den USA zum Beispiel gehen heute rund 15 Prozent des Energieverbrauchs auf Klimageräte zurück. Ein Grossteil der Energie stammt aus fossilen Quellen. Der passive Kühlvorhang wäre eine umwelt- und klimaschonende Alternative.

Weiterentwicklung einer früheren Innovation
Stucki sorgte bereits 2013 mit seiner Masterarbeit an der ETH Zürich für Aufsehen: In kürzester Zeit entwickelte er ein neuartiges Material für den Outdoor-Bereich. Dieses enthält im Gegensatz zu üblichen funktionalen Textilien keine umwelt- und gesundheitsschädlichen Fluorverbindungen. Seine aktuelle Forschung greift auf die damalige Erfindung zurück: Er funktionalisierte sein Textil über Platzhalter. Dazu mischte er winzige Kalkpartikel in das flüssige Polymer, das später zum Textil verarbeitet wird. Der Kalk kann anschliessend durch Behandlung mit Salz- oder Essigsäure aus dem festen Material herausgelöst werden, so dass an den Stellen der Nanopartikel winzige Löcher entstehen. Diese sind nötig, damit das Material funktional ist und «atmen» kann. Die Aussenwände des Kühlvorhangs sind aus einem solchen porösen Kunststoff gefertigt, damit die mittlere, hydrophile Schicht das Wasser überhaupt an die Umgebung abgeben kann.

Um die verschiedenen Lagen zu einem Material zu kombinieren, konnte Stucki auf eine Methode zurückgreifen, 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 üblich. Vielmehr werden sie in einem geeigneten Lösungsmittel aufeinandergelegt, wodurch die äusseren Schichten leicht angelöst werden und sich mit der mittleren verbinden. Nur so können die Forscher sicherstellen, dass das Aussenmaterial der Membrane porös bleibt.

«Proof of concept» geglückt
Die grundsätzliche Funktionalität des Kühlvorhangs konnte Stucki im Versuch beweisen. Dafür steckte er die dreilagige Membrane in ein Wasserbad und mass bei 30°C 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 Gebäude von 10 Meter Seitenlänge hoch. Die darin verfügbare Vorhangfläche von 80m2 reicht, um bei 40°C Aussentemperatur und 30°C Innentemperatur mehr Wärme abzuführen als die Sonne über die Einstrahlung zuführt. Das Haus würde somit passiv abgekühlt.

Herausforderungen
«Wir konnten zeigen, dass unser System grundsätzlich funktioniert», sagt Stucki. «Doch für eine Kommerzialisierung müssten noch viele Fragen geklärt werden.» Zum Beispiel wie sich das Material mikrobiologisch verhält. Denn hohe Temperaturen und Feuchtigkeit bilden den idealen Nährboden für das Wachstum von Bakterien und Pilzen. Der Kunststoff für den Aussenmantel könnte jedoch relativ einfach mit antiseptischen Materialien ersetzt werden, sagt Stucki. Dies sei einer der Vorteile der Funktionalisierung über Kalknanopartikel. Eine weitere Herausforderung ist, dass die Vorhänge über die Gesamtfläche Wasser verdampfen können. Dafür muss der Wassertransport in der Membran noch verbessert werden. Und schliesslich ist noch unklar, wie lange die Membran stabil funktionieren würde.

Stucki wird sich nach Abschluss seines Doktorats im Sommer erst einmal auf die Kommerzialisierung von fluorfreien Outdoor-Textilien konzentrieren. Dafür 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 abzuführen – eine der wichtigsten Eigenschaften von funktionalen Textilien.

Stucki M, Stark W. Stabilization of 2D Water Films in Porous Triple-Layer Membranes with a Hydrophilic Core: Cooling Textiles and Passive Evaporative Room Climate Control. Advanced Engineering Materials, 2017.

Text: Samuel Schlaefli, ETH Zürich


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