Wie Nanotechnologie im Winter für Behaglichkeit sorgt und dabei Energie spart

Effizientere Wärmedämmung, stabilere Baustoffe, umweltverträglichere Energiegewinnung – gerade im Winter so wichtig –, verdanken wir den rasanten Fortschritten vor allem in Material- und Energietechnik. Dabei spielt immer wieder auch Nanotechnologie eine wichtige Rolle.

„Tageshöchstwerte um ein Grad, Schnee und Schneeregen sorgen für glatte Straßen, dazu weht kräftiger bis stürmischer Wind“: Wenn man im Winter im gut geheizten Wohnzimmer sitzt, wird einem vielleicht plötzlich die Bedeutung der Bautechnik bewusst. Zentral für ein behagliches Raumklima bei möglichst niedrigem Energieaufwand ist eine gute Wärmedämmung. Auch der Gesetzgeber macht hier in der Energieeinsparverordnung zunehmend rigide Vorgaben für Neu- wie auch für Bestandsbauten – kein Wunder in Zeiten der Klimadiskussion, geht doch rund ein Fünftel des gesamten CO2-Ausstoßes in Deutschland auf den Gebäudebereich zurück. In einem Privathaushalt sind es durchschnittlich sogar 75 Prozent des Energieverbrauchs, die allein für die Raumwärme aufgewendet werden.

Nanoporen halten die Wärme dort, wo sie hingehört

Um etwa an den Außenwänden den Heizbedarf auf Passivhaus-Niveau zu drücken, kann man etwa 20 bis 30 Zentimeter dicke Schichten herkömmlicher Dämmstoffe wie Styropor anbringen – mit unschönen Nebenwirkungen in puncto Ästhetik und Raumbedarf. Oder man greift zu intelligenteren Dämmmaterialien. Bereits heute finden sogenannte Silicat-Aerogele Verwendung. Das sind hochporöse, unbrennbare Festkörper aus Siliziumdioxid und Luft. Über 90 Prozent des Volumens bestehen aus Poren, die nur wenige Nanometer groß sind. In der Entwicklung befinden sich ähnliche nanoporöse Schäume auf Kunststoff-Basis.

Vom Backofen bis zur Forschungsstation in der Antarktis

Die Nanoporen machen Aerogele steif, in gewissem Maß lichtdurchlässig und verleihen ihnen unfassbar große innere Oberflächen von teils über 1.000 m² pro Gramm, was diese Stoffklasse für verschiedenste Anwendungen interessant macht. Ihre Struktur sorgt aber eben auch für sehr geringe Wärmeleitwerte: Vom Ausgangsmaterial sind viel zu geringe Mengen vorhanden, um viel Wärme zu transportieren, und die Wärmeleitung durch die enthaltene Luft wird durch die winzige Porengröße stark behindert.

Verwendung finden solche nanoporösen Schäume in herkömmlichen Dämmplatten, die an der Gebäudefassade angebracht die Wohnung warm halten, bei Boilern das Wasser heiß oder bei Backöfen den benachbarten Kühlschrank kalt. Ebenso sind sie in Form von Granulat als Einblasdämmstoff zu verwenden oder, mit nochmals gesteigerter Wirksamkeit, als Füllstoff von Vakuumisolationspaneelen. Ein Sonderfall ist der Aerogel-Einsatz als transluzente Füllung zwischen Glasplatten: So entstehen diffus lichtdurchlässige, Wärme und Schall gut isolierende Bauelemente – tauglich nicht nur für unsere Breiten, auch eine britische Forschungsstation in der Antarktis verwendet diese besondere Art der Verglasung.

Stahl, der nicht rostet

Vermutlich das wichtigste und meistverwendete Material im Bau ist Beton, gemischt im Wesentlichen aus Zement, Wasser und Gesteinskörnern (Betonzuschlag). Höchstleistungen werden möglich, in dem man Beton nanotechnologisch optimiert. Denn in Beton bilden sich Poren, wodurch die Druckfestigkeit sinkt und die Oberfläche, an der betonschädigende Substanzen angreifen können, größer wird. Abhilfe können geeignete Zusatzpartikel schaffen, welche die winzigen Hohlräume ausfüllen und den Beton dadurch dichter, härter und langlebiger machen.

Um das zu erreichen, haben Kasseler Forscher im zurückliegenden Jahrzehnt systematisch die Nanostruktur des Betons erforscht und mögliche Partikel-Zusätze im Nanometerbereich vermessen, um die optimale Mischung zu finden. Indem man dann noch die Zugfestigkeit durch Zugabe von Stahlfasern erhöht, bekommt man letztlich ein Material mit den Eigenschaften von Stahl, das aber nicht rostet: „ultrahochfesten Beton“ (UHPC). Damit wurden bereits einige Brücken gebaut, darunter die Gärtnerplatzbrücke in Kassel und mehrere kleinere Brücken im US-Bundesstaat Iowa. Die Vorteile: Die Bauwerke halten länger und kommen auch mit geringeren Materialstärken aus. Das spart Rohstoffe und schont das Klima, denn die Zementherstellung ist für rund fünf Prozent des globalen CO2-Ausstoßes verantwortlich.
 
Bessere Solarzellen

Strom aus Sonnenlicht spielt als emissionsfreie Energiequelle eine zunehmend wichtige Rolle. Ein wichtiges Ziel ist es, Solarzellen im Hinblick auf Materialverbrauch, Wirkungsgrad und Kosten weiter zu optimieren. Ein Ansatz dafür sind Dünnschichtzellen aus Silizium, die bis zu 1.000 Mal dünner sind als herkömmliche Photovoltaikelemente und entsprechend viel Material sparen. Das Problem ist, dass bei zu geringer Dicke zu viel Sonnenlicht ungehindert passieren kann, statt Strom zu erzeugen. Ein Trick ist nun, durch Zinkoxidkristalle das Licht so zu streuen, dass seine Wegstrecke in der Siliziumschicht wieder länger wird. Schwierig war es allerdings, die Zinkoxidkristalle in die richtige nanoskalige Form zu zwingen, damit der Trick funktioniert. Die Forscher haben aber einen günstigen Weg gefunden: Sie erstellen ein Negativ der gewünschten Struktur und lassen darauf die Zinkoxidkristalle wachsen. Diese Nanoschicht muss dann nur noch abgezogen werden.

Eine andere Entwicklungsrichtung ist die Grätzel-Zelle. Ihr Erfinder Michael Grätzel bekam dafür 2010 den Millennium-Preis, quasi den Nobelpreis für Ingenieure. Sie erzeugt den Strom nicht in Halbleiterschichten, sondern in speziellen Farbstoffen, nach einem von der natürlichen Photosynthese abgeschauten Schema. Die Verheißung: billige, flexible und durchsichtige Solarzellen – selbst Fenster könnten so zum Photovoltaik-Paneel werden. Und auch in dieser Entwicklung steckt „Nano“ drin: Nötig ist nämlich auch Titandioxid, welches die vom Sonnenlicht aus dem Farbstoff freigesetzten Elektronen auffängt und in den Stromkreis leitet. Und dieses Titandioxid ist ein nanoporöses oder in Nanopartikeln vorkommendes Material – beliebt auch als weißes Farbpigment in Wandfarbe und als UV-Reflektor in Sonnencremes.

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