Durch den Klimawandel und die zunehmenden Hitzewellen werden Kühlungstechnologien inzwischen auch bei uns immer notwendiger. Das Problem jedoch: Herkömmliche Klimaanlagen sind echte Stromfresser und heizen die Stadtluft zusätzlich auf. Eine Kühlung durch Erdwärme oder Fernkälte wäre umweltfreundlicher, ist aber aufwendig und nicht überall machbar.
Passive Strahlungskühlung statt stromfressender Klimaanlage
Aber es gibt eine Alternative: Forschende haben erste Systeme entwickelt, die Gebäude passiv kühlen, indem sie überschüssige Hitze als Infrarotstrahlung abgeben. „Die Materialien solcher Strahlungskühlsysteme setzen Infrarotstrahlung im Bereich des atmosphärischen Fensters zwischen acht und 13 Mikrometer Wellenlänge frei. In diesem Bereich ist die Erdatmosphäre durchlässiger für Wärmestrahlung“, erklären Ivan Alberto Cruz Garcia vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und seine Kollegen.
Die Wärme wird dadurch passiv bis ins Weltall abgestrahlt und die Oberfläche des Kühlsystems wird kälter. Diese Kälte kann nun genutzt werden, um beispielsweise durch dieses Kühlsystem strömende Luft abzukühlen und ins Gebäude zu leiten. Allerdings gibt es auch dabei einen Haken: Solche passiven Kühlsysteme brauchen Platz, denn je größer die Abstrahlungsfläche, desto effektiver sind sie. Doch auf Hausdächern ist dieser Platz oft begrenzt – vor allem wenn auch noch Photovoltaik- und Solarthermieanlagen installiert werden sollen.
Drei Systeme in einem
Eine Lösung für dieses Platzproblem haben nun Cruz Garcia und sein Team gefunden. Sie haben ein Kombi-System entwickelt, das gleichzeitig Kühlung, Strom und Wärme erzeugen kann – auf einer Fläche. „Wir haben die Strahlungskühlung durch die Komponente zur Nutzung der Solarenergie ergänzt. So wird aus einer einzelnen Oberfläche ein multifunktionales Energiesystem“, erklärt Seniorautor Gan Huang vom KIT. In diesem System liegt zuoberst der Strahlungskühler, darunter das Photovoltaikmodul und als unterstes ein Wärmekollektor für die Solarthermie.
Aufbau des Dreifach-Systems (links) und absorbierte Wellenlängenbereiche der verschiedenen Komponenten. — © Cruz García et al./ Cell Reports Physical Science, CC-by 4.0
Die oberste Komponente des Systems ist eine von Infrarot-Reflektoren umgebene flache Kammer, in der der Strahlungskühler liegt. Er besteht aus einer transparenten Siliziumdioxid-Platte, die mit dem wärmeleitenden Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Wird die Platte durch aus dem Gebäude abgeleitete Wärme aufgeheizt, strahlt sie diese als Infrarotstrahlung ab. In Tests kühlte sich dieses System bis auf 13,6 Grad unter die Umgebungstemperatur ab, wie das Team berichtet.
Hitze und Kälte gleichzeitig und doch getrennt
Die zweite Komponente ist ein gekoppeltes Photovoltaik- und Solarthermie-Modul für die Gewinnung von Strom und Wärme. Ein Kupferblock dient darin als Wärmekollektor und eine darüberliegende Galliumarsenid-Solarzelle als Photovoltaikmodul. „Wir haben Galliumarsenid gewählt, weil es gut für den Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet ist“, erklären die Forschenden. Die Solarzelle absorbiert nur den kurzwelligeren Anteil des Sonnenlichts, während die langwelligere Wärmestrahlung bis zum Kupferblock durchdringt.
Die Herausforderung jedoch: Während der Solarkollektor möglichst heiß werden soll, muss der zuoberst liegende Strahlungskühler kühl bleiben. „Wir haben dieses Problem gelöst, indem das Sonnenlicht zunächst die transparente Kühlschicht durchdringt und erst darunter auf eine Fresnel-Linse trifft. Diese bündelt das Licht auf den deutlich kleineren Solarkollektor“, erklärt Cruz Garcia. „So bleiben der heiße Solarkollektor und die kühlende Schicht räumlich voneinander getrennt.“
Praxistest bestanden
Wie gut das Dreifachsystem zur Kühlung, Stromgewinnung und Heizung funktioniert, haben die Forschenden im April 2025 mit einem kleinen Prototyp draußen getestet. Das Ergebnis: „Das Kombi-System erreicht unter typischen Wetterbedingungen eine Kühlung bis auf 6,5 Grad unter die Umgebungstemperatur, es erzeugt Solarstrom mit einer Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter und heizt den Kollektor auf 110,8 Grad auf“, berichten Cruz Garcia und seine Kollegen.
Prototyp des hybriden Strahlungskühlungs- und Solarsystems beim Praxistest. — © Gan Huang/ KIT
„Diese Resultate belegen, dass eine gleichzeitige Nutzung von Weltraumkälte und Sonnenwärme machbar und effektiv ist“, schreibt das Team. Leitet man aufgeheizte Gebäudeluft durch den Kühlteil des Systems, wirkt es wie eine kühlende Klimaanlage. Der Solarstrom kann in den Gebäudestromkreis eingespeist werden und die Hitze des Solarkollektors kann über Wärmetauscher zum Heizen von Warmwasser genutzt werden.
Die Forschenden sehen Einsatzmöglichkeiten für ihr Dreifach-Kombisystem überall dort, wo Strom und Kühlung auf engem Raum erzeugt werden sollen. „Unsere Vision ist, dass Dächer und Fassaden zu aktiven Energieflächen werden, die gleichzeitig Strom, Wärme und Kühlung bereitstellen“, sagt Huang.
Quelle: Iván Alberto Cruz García (Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe) et al., Cell Reports Physical Science, 2026; doi: 10.1016/j.xcrp.2026.103492
