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

Klimaanlage ohne Strom: ETH-Forscher entwickelt Kühlvorhang

26.07.2017, 20:5327.07.2017, 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. 
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)

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