Wie Elefantenhaut: Poröse Fliesen kühlen Gebäude passiv

close notice This article is also available in English. It was translated with technical assistance and editorially reviewed before publication. . Ein Wissenschaftsteam der University of Pennsylvania hat sich das natürliche Kühlsystem von Elefanten zum Vorbild genommen und eine poröse, wasserbindende Zementfliese entwickelt. Die an Gebäuden angebrachten Fliesen halten durch das verdunstende Wasser die Innenräume kühl. Weiterlesen nach der Anzeige Der Afrikanische Elefant verfügt über eines der effizientesten Kühlsysteme im Tierreich. Die dunkelgraue, bis zu teilweise 4 cm dicke Haut ist faltig und von Rissen durchzogen. In ihnen speichert er Wasser, das er beim Baden aufnimmt. Das Wasser in diesen Kammern verdunstet und es entsteht Verdunstungskälte, die den Elefanten über einen längeren Zeitraum kühl hält. Die Forscher der Penn Engineering haben sich diesen Prozess der „Kühlung ohne Schwitzen“ genauer angesehen, auf Gebäude übertragen und eine Zementfliese entwickelt, die ähnliche Eigenschaften wie Elefantenhaut aufweist. Die Ergebnisse ihrer Forschung haben die Wissenschaftler in der Studie „Elephant‐Skin‐Inspired Porous Cementitious Tiles with Programmable Crack Networks for Passive Cooling“ veröffentlicht, die in Advanced Materials erschienen ist. Poröse Fliesen mit speziellen Rissnetzwerken Eine Fliese zur Verkleidung von Außenflächen von Gebäuden zu entwickeln, die Wasser speichern und nach und nach abgeben kann, hört sich trivialer an, als es tatsächlich ist. Denn herkömmliche Baumaterialien sind dafür ungeeignet, da von ihnen Regentropfen abprallen und abperlen. Sie laufen dann direkt an der Oberfläche ab und können nicht gespeichert werden, um durch Verdunstung eine Kühlwirkung zu entfalten. Die Wissenschaftler kamen auf die Idee, gezielt Risse in ein Material einzubringen, um damit ein Netzwerk aus winzigen Kanälen zu schaffen. Diese Risse entfalten eine kapillare Wirkung, die Wasser über die Oberfläche ziehen und dort festhalten können. Als geeignetes Material nutzen die Wissenschaftler gewöhnlichen Portlandzement, den sie mit Kieselgur (Diatomeenerde – DE), einem weichen Sedimentgestein, das aus den Schalen fossiler Kieselalgen besteht, vermischten. Das dabei entstandene Material nutzten sie, um dünne Platten daraus zu gießen. Diese wurden teilweise mit Wasser angereichert und unter genau kontrollierten Bedingungen getrocknet. Während des Trocknungsprozesses kommt es zu Spannungen im Material, die sich entladen. Dadurch entstehen keine zufälligen Risse, sondern geplante Rissnetzwerke. Die Risse sind dabei so angelegt, dass sie Wasser schnell aufnehmen und durch ihre Verbindungen über die gesamte Oberfläche der Fliese verteilen. Dadurch werde auch sichergestellt, dass das Wasser beim Aufprall auf die Zementfliese nicht so schnell verloren gehe, schreiben die Forscher. Das funktioniert auch dann, wenn die Fliesen an geneigten Flächen angebracht sind und sogar entgegen der Schwerkraft. Dabei hilft die wabenartige Struktur der Fliesen. Die hexagonale Geometrie sorgt dafür, dass sich das Wasser im Zickzack seitwärts bewegt. Es kann also nicht einfach nach unten abfließen. Entsprechend bleibt es länger gleichmäßig in der Fliese verteilt und kann dort verdunsten. Die Forscher konnten dabei eine Kühlwirkung über eine Dauer von bis zu 20 Stunden nachweisen. Hohe passive Kühlleistung Weiterlesen nach der Anzeige Die genauen Auswirkungen der Kühlung ermittelten die Forscher experimentell. Sie setzten die Fliesen einer ständigen Infrarotbestrahlung aus und wässerten sie regelmäßig. Die Temperatur unter den Fliesen blieb dabei mit 32 °C konstant. Unter herkömmlichem Putz lag die Temperatur bei gleicher Bestrahlung bei 42 °C, bei rissfreiem Putz sogar bei 52 °C. Die Forscher gehen davon aus, dass mit den Zementfliesen verkleidete Gebäude im Vergleich zu solchen mit herkömmlichem Putz etwa 6 bis 11 °C kühler gehalten werden können. Mit dieser Technik lassen sich Gebäude auf natürliche Weise kühlen, heißt es von den Wissenschaftlern der Penn Engineering. Der Energieaufwand für aktive Kühlsysteme für Innenräume könne so deutlich reduziert werden. Der Aufwand zur Erstellung eines passiven Kühlsystems auf Basis von Zement und DE sei verhältnismäßig gering. Die Mischung könne mit Spritzpistolen auf große Paneele aufgebracht werden, mit denen Gebäude dann verkleidet werden. Die Forscher stellen sich vor, dass intelligente Bewässerungssysteme zum Einsatz kommen, die in Trockenphasen die Gebäude von außen in festgelegten Zyklen mit Wasser versehen. Der Einsatz dieser Bewässerungsanlagen könnte etwa über Wetterdaten in Echtzeit gesteuert werden, um möglichst wenig Wasser bei optimaler Kühlleistung zu verbrauchen.