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ETH-Doktorand Stucki mit seiner neuartigen Membran.  Bild: Peter Rüegg / ETH Zürich

Klimaanlage ohne Strom: ETH-Forscher entwickelt Kühlvorhang

26.07.17, 20:53 27.07.17, 06:50

Effizient kühlen, und dabei noch Strom sparen: Mario Stucki, Doktorand am Functional Materials Laboratory der ETH Zürich, hat eine ungewöhnliche Alternative zu strombetriebenen Klimaanlagen entwickelt. Seine Idee: ein Kühlvorhang aus einer dreilagigen, porösen Membran. 

Am Anfang stand ein Experiment: «Wir dachten, es wäre interessant, gegensätzliche Funktionen in einem Material zu verbinden», sagt Stucki in einer Mitteilung der ETH. So umgab er eine Schicht aus hydrophilem (wasseranziehendem) Polymer mit zwei Schichten aus hydrophobem (wasserabstossendem) Polyethuran.

«Das Verdampfen von Wasser benötigt viel Energie. Dabei wird der Luft Wärme entzogen, sie kühlt sich ab, und gleichzeitig steigt die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung.»

Mario Stucki

Das Resultat: eine Membran, die mit Wasser getränkt ist, sich aber gleichwohl trocken anfühlt. Überdies kann das Wasser aus der mittleren Lage trotz der hydrophoben Aussenschichten in die Umgebung entweichen. Dafür sorgen zahllose winzige Löcher von rund einem Mikrometer Durchmesser in den äusseren Polyethuran-Schichten. 

Die dreilagige Membran ist kaum dicker als Papier.  Bild: Peter Rüegg / ETH Zürich

Um diese Löcher zu erzeugen, mischte Stucki winzige Kalkpartikel als Platzhalter in das flüssige Polymer, aus dem später das Textil gefertigt wurde. Aus dem festen Material wurde der Kalk dann mit Salz- oder Essigsäure wieder herausgelöst; damit entstanden an diesen Stellen kleine Löcher. 

«Die Sonnenstrahlung, die durch ein Fenster auf den Vorhang fällt, liefert genug Energie für diese Art der Raumklimatisierung.»

Mario Stucki

Bei der Frage, wie diese Membran nutzbar gemacht werden könnte, kam Stucki auf die Idee mit dem Kühlvorhang. «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.»

Nach diesem Prinzip funktionieren auch traditionelle Luftbefeuchter. Allerdings verbrauchen sie dafür viel Strom, während Stuckis Membran ein passives System ist. Die notwendige Energie liefert die Sonne: «Die Sonnenstrahlung, die durch ein Fenster auf den Vorhang fällt, liefert genug Energie für diese Art der Raumklimatisierung.»

Geeignet für heisse, trockene Regionen

Gerade für trockene, sonnenreiche Gebiete könnten sich solche Vorhänge daher bestens eignen. Zum Beispiel für die Arabische Halbinsel, auf der 2015 eine Hitzewelle mit Temperaturen von über 50°C den Leuten zu schaffen machte. Solche Wüstengebiete könnten in Zukunft mit noch höheren Temperaturen und verstärkter Trockenheit konfrontiert sein – das sagen zumindest die Klimawissenschaftler voraus. Im Extremfall könnten bestimmte Regionen sogar nahezu unbewohnbar werden. 

«Wir konnten zeigen, dass unser System grundsätzlich funktioniert. Doch für eine Kommerzialisierung müssten noch viele Fragen geklärt werden.»

Mario Stucki

Die effiziente Kühlung von Gebäuden dürfte daher ein Wachstumsmarkt sein. Bisher ist Kühlung aber mit enormem Stromverbrauch verbunden – in den USA gehen heute nicht weniger als rund 15 Prozent des Energieverbrauchs auf das Konto von Klimaanlagen. Hier wäre der Kühlvorhang eine klima- und umweltschonende Alternative – zumal die Energie für die Stromfresser heute zum grössten Teil aus fossilen Quellen stammt. 

«Das System funktioniert grundsätzlich»

Im Versuch zeigte sich, dass der Kühlvorhang tatsächlich Wärme abführen kann. Stucki steckte die Membran in ein Wasserbad und mass dann bei 30° Celsius und 50 Prozent Luftfeuchtigkeit die Wasserabgabe an die Umgebung. Pro Tag und Quadratmeter belief sie sich auf 1,2 bis 1,7 Kilogramm Wasser. Hochgerechnet auf ein kubisches Gebäude von 10 Meter Seitenlänge würde die darin verfügbare Vorhangfläche von 80 m2 ausreichen, um bei 40° Celsius Aussentemperatur und 30° Innentemperatur mehr Wärme abzuführen, als die Sonne über die Einstrahlung zuführt – das Gebäude würde passiv abgekühlt.

«Wir konnten zeigen, dass unser System grundsätzlich funktioniert. Doch für eine Kommerzialisierung müssten noch viele Fragen geklärt werden», räumt Stucki ein. So ist noch nicht geklärt, wie sich Bakterien und Pilze auf das Material auswirken würden. Hohe Temperaturen und Feuchtigkeit begünstigen nämlich deren Wachstum. Antiseptische Materialien für den Aussenmantel könnten dies verhindern, erklärt Stucki. 

(dhr)

Noch eine ingeniöse Idee: Solarenergie aus dem Veloweg

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Charly Otherman, 5.5.2017
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  • fischbrot 27.07.2017 10:48
    Highlight Super Sache. Aber trägt er wirklich ein Mickey Mouse Shirt?
    15 5 Melden
    600
  • The Host 27.07.2017 01:07
    Highlight Und wie kommt das Wasser in die Vorhänge?
    17 2 Melden
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  • Gelöschter Benutzer 27.07.2017 00:13
    Highlight Für trockene (Wüsten-)Regionen mag das gut sein, aber hier wo es während Hitzeperioden meist auch feucht ist, bringt eine Kühlmethode ohne Luftentfeuchtung wenig.
    17 3 Melden
    • stan1993 27.07.2017 07:06
      Highlight Kombiniert mit kwl ideal
      1 2 Melden
    • Nevermind 27.07.2017 09:35
      Highlight Eine kwl entfeuchtet im Sommer ohne zusatzenergie gar nichts.

      Wäre das so einfach würden Klimagerätehersteller seit Jahren feuchte Lappen in ihre Geräte hängen. 😉
      4 1 Melden
    • Gelöschter Benutzer 27.07.2017 10:08
      Highlight Was ist eine kwl?
      3 0 Melden
    • stan1993 27.07.2017 15:22
      Highlight Kontrollierte wohnungslüftung, welche in minergiehäuser eingebajt wird. Daher wird es auch kein problem mit zu hoher feuchtigkeit geben, da die luft automatisch ersetzt wird
      2 1 Melden
    • Nevermind 27.07.2017 19:43
      Highlight Die Luft wird durch Aussenluft ersetzt welche im Sommer bekanntlich warm ist. Ist dann noch die Feuchteregulierung der kwl aktiv wird das dann viel warme Aussenluft. Der Kühleffekt der feuchten Vorhänge wird dadurch aufgehoben.
      Versucht doch mal probehalber ein paar nasse Leintücher aufzuhängen um die Wohnung zu kühlen. Ihr legt sie in ein Wasserbad und wägt sie im nassen und später im trockenen Zustand. Die gewichtsdifferenz multipliziert ihr mit der verdampfungswärme von Wasser (2257 kJ/kg) und ihr wisst wieviel Wärme ihr der Luft entzogen habt. Und wieviel Wasser neu in der Luft ist. 🌧
      3 0 Melden
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  • Redly 26.07.2017 23:34
    Highlight Verdunstung auf feuchtem Material kühlt. Wow, wirklich?
    Entweder ist der Artikel unvollständig oder es ist wenig neue Erkenntnis.
    10 34 Melden
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  • lemeforpresident 26.07.2017 21:53
    Highlight ähm... nein? damit das system funktioniert, müsste der raumluft mindestens ein teil der feuchtigkeit wieder entzogen werden (bzw. luftaustausch), ansonsten wird erstens das raumklima unerträglich feucht und zweitens nimmt die verdunstung mit zunehmender luftfeuchtigkeit ab...
    18 54 Melden
    • Karoon 26.07.2017 23:08
      Highlight Ich bin sicher, dass sich diese Überlegungen auch die ETH-Leute gemacht haben ;-)
      39 3 Melden
    • Lord_Mort 26.07.2017 23:26
      Highlight Das wäre veicht in einem geschlossenen System der Fall. Eine Wohnung ist nie zu einhundert Prozent dicht. Ich denke da findet genug Luftfeuchtigkeitsaustausch mit der Umgebung statt.
      10 4 Melden
    • ands 27.07.2017 00:29
      Highlight Fenster öffnen?
      7 6 Melden
    • Nevermind 27.07.2017 07:39
      Highlight Bei 1.7kg Verdunstung pro Tag und m^2 macht das bei 80m^2 nur 136 Liter Wasser pro Tag. Für Trockene und heisse Gebiete ist das doch eine super Lösung. Hält man dann noch die Fenster offen um die 136 Liter wieder aus dem Gebäude abzuführen ist der Kühleffekt sicher enorm.

      Wieso muss ich da an Solar Freaking Roadways oder Fontus Self Filling Waterbottle denken?
      8 0 Melden
    • Yippie 27.07.2017 08:14
      Highlight @nevermind
      Fenster offen zu halten, wenn die Aussentemperatur 40 °C und die Raumtemperatur 30 °C beträgt, halte ich für keine gute Idee ;)
      9 1 Melden
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  • Butzdi 26.07.2017 21:49
    Highlight Tolle Idee, nicht ganz neu aber mit moderner Technologie sicher effizient umsetzbar.
    Habe das in Agra in Indien gesehen, im Roten Fort aus dem 16Jh (!!!) gibt es durch geschickte Ventilation und Wasserwände in vielen Zimmern eine ziemlich krasse Abkühlung - also eine stromfreie Klimaanlage. Die haben den 'nasse Badehosen'-Effekt genutzt.
    39 1 Melden
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  • andrew1 26.07.2017 21:07
    Highlight Wäre noch interessant zu wissen wie hoch die Kühlleistung pro m^2 sind und wie hoch die kosten
    23 1 Melden
    • Yippie 26.07.2017 23:37
      Highlight Aus dem Artikel kann man die Kühlleistung in etwa ableiten (bis 1.7 kg Wasser pro m2 und Tag).

      Um 1.7 kg Wasser zu verdampfen benötigt man ca. 1 kWh an Energie. Auf eine Dauer von 24 h entspricht dies einer Kühlleistung von 42 W/m2.
      8 0 Melden
    • andrew1 27.07.2017 08:27
      Highlight Dann geht die Kühlleistung im rauschen unter. Für meine wohnung bräuchte ich mindestens 4.2 kw was 100m^ 2 entsprechen.
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