Durch die globale Erwärmung wächst der Bedarf, Gebäude zu kühlen. Klimaanlagen verbrauchen allerdings viel Energie und erhöhen damit die CO2-Emissionen. „Deshalb sind dringend Möglichkeiten zur energieeffizienten Gebäudekühlung erforderlich“, erklärt ein Team um Guo Lu von der Southeast University in Nanjing in China. Ein Ansatz besteht darin, die Baumaterialien so zu modifizieren, dass sie weniger Wärme speichern und abstrahlen. „Bisherige Ansätze scheitern allerdings oft am Übergang vom Labor in die Praxis“, berichten die Forschenden. „Die Entwicklung langlebiger passiv kühlender Strukturmaterialien mit optischer Robustheit, einfacher Anwendung und Skalierbarkeit bleibt eine Herausforderung für Anwendungen im Bauwesen.“
Ausgefeilte Zusammensetzung
Dieser Herausforderung haben sich Lu und sein Team angenommen. „Wir haben einen kühlenden Zement entwickelt, der sich in einem skalierbaren, druckgesteuerten Produktionsprozess mit geringen CO2-Emissionen herstellen lässt“, berichten die Forschenden. Der Trick dabei: Statt die kühlende Funktion dieses Baumaterials durch Füllmittel oder Zusatzstoffe zu erreichen, tarierten sie die chemische Zusammensetzung der Grundzutaten von klassischem Zement genau aus. „Wir begannen mit einer sorgfältigen Auswahl von kalziumreichen Aluminium-Schwefel-Silikat-Verbindungen für die Zementklinker“, erläutern sie.
Diese Grundsubstanz reagiert mit Wasser zu dem Zementbestandteil Ettringit. Damit die Ettringit-Kristalle möglichst viel Sonnenlicht streuen, sorgten die Forschenden im weiteren Produktionsschritt mittels Druckunterschieden dafür, dass sich winzige Luftbläschen an der Oberfläche des aushärtenden Materials formen und dort eine Struktur aus mikroskopischen Poren bilden. Diese erhöhen die Lichtstreuung des Zements und verringern die Absorption. „Im Gegensatz zu konventionellen Methoden der Oberflächenstrukturierung wie Gravur oder Ätzen, die oft mit kostspieligen Geräten, hohem Energieverbrauch oder gefährlichen Chemikalien verbunden sind, bietet unsere Strategie einen skalierbaren und energieeffizienten Ansatz, der mit der Standardverfahren in der Zementherstellung kompatibel ist und eine präzise Strukturierung im Mikrobereich ermöglicht“, berichtet das Team.
Kühlend, stabil und beständig
Die auf diese Weise hergestellten Zementplatten reflektierten 96,2 Prozent des auf sie fallenden Sonnenlichts. Ein Praxistest auf dem Dach der Purdue University in Indiana offenbarte, dass das Material tatsächlich einen Kühleffekt hat. In der sommerlichen Mittagshitze unter direkter Sonneneinstrahlung betrug die Umgebungstemperatur 38,4 Grad Celsius. Der innovative Zement erwärmte sich dagegen lediglich auf 33 Grad Celsius – mehr als fünf Grad unter der Umgebungstemperatur, wie Messungen ergaben. Herkömmlicher Zement erreichte dagegen unter den gleichen Bedingungen eine Temperatur von 59 Grad Celsius. In der Nacht, als sich die Luft auf 28,2 Grad Celsius abkühlte, kam der Kühlzement auf nur knapp über 22 Grad Celsius. Er entfaltete demnach sowohl am Tag in der Sonne als auch in der Nacht eine kühlende Wirkung.
