Die wiederkehrenden Hitzewellen in diesem Jahr zeigen deutlich, dass der Klimawandel auch bei uns angekommen ist. Doch unserer Städte, Wohnungen oder Büros sind größtenteils nicht an extreme Temperaturen von mehr als 30 Grad angepasst. Klimaanlagen sind noch eher die Ausnahme, sie verbrauchen zudem viel Strom und heizen das Stadtklima zusätzlich auf. Was also hilft gegen die Sommerhitze?
Verdunstungskühlung und 3D-Druck kombiniert
Eine verblüffend simple Lösung haben nun Forschende der TU Graz entwickelt. Den Anstoß dafür gab ihnen jahrhundertealtes Wissen über die passive Kühlung durch verdunstendes Wasser. Der Verdunstungsprozess entzieht der Umgebung Wärme, als Folge kühlt die Luft ab. „Das funktioniert schon seit Jahrhunderten bei Tonkrügen ebenso wie in traditionellen Windtürmen.“, erklärt Milena Stavric von der TU Graz. Sie und ihre Kollegen haben dieses Prinzip nun mithilfe eines speziellen Designs und additiver Fertigung optimiert.
„Der entscheidende technologische Fortschritt liegt hier im Einsatz des 3D-Drucks, mit dem wir hochkomplexe, poröse und funktionsoptimierte Geometrien aus Tongemischen herstellen“, erklärt Stavric. „Diese speziellen Strukturen speichern Wasser besonders effizient und schaffen bei geringem Volumen eine enorme Verdunstungsoberfläche.“ Das Team hat die würfelförmigen Grundeinheiten ihres Systems mithilfe der Minimalflächen-Geometrie (TPMS) so entworfen, dass sie mit wenig Material eine möglichst große Oberfläche erzeugen.
Kühlwand senkt Temperatur um mehrere Grad
Das Ergebnis sind hochporöse Würfel von rund 23 Zentimetern Seitenlänge, die im 3D-Druck aus einer keramischen Tonmischung gefertigt werden. Die gedruckten Tonobjekte werden dann bei niedrigen Temperaturen gebrannt, um ihre poröse Beschaffenheit zu erhalten. Die fertigen Würfel könne zu Kühlwänden oder beliebigen anderen Formen zusammengesetzt werden. Füllt man das System dann mit Wasser, zieht dieses durch Kapillarkräfte in die poröse Keramik ein und verteilt sich gleichmäßig.
Damit ist das Kühlsystem einsatzbereit. Wie gut es kühlt, zeigte ein Praxistest in einem heißen Dachgeschoss der TU Graz: In dem kontrollierten Versuchsaufbau verringerten die wasserbefüllten Würfel die Temperatur ihrer Umgebung um knapp sieben Grad. „Im gesamten Raum war die Kühlwirkung deutlich spürbar“, sagt Kristijan Ristoski. Er hat im Rahmen seiner Masterarbeit den steuerbaren Wasserkreislauf für die Kühlwand entwickelt.
Prototyp der kühlenden Wand aus 3D-gedruckten Würfeln auf dem Campus der TU Graz. — © Helmut Lunghammer/ TU Graz
Alternative zur Klimaanlage
Nach Ansicht der Forschenden bieten ihre optimierten Keramikwürfel eine ressourcenschonende Alternative zu energieintensiven Klimaanlagen und eignen sich für Wohn- und Bürogebäude ebenso wie für Schulen, öffentliche Plätze oder Wartebereiche. „Unser Ziel ist es, Kühlung dort bereitzustellen, wo Menschen besonders unter Hitze leiden – etwa in Städten, wo Kühlung durch Bäume teilweise kaum möglich ist“, sagt Stavric. „Dafür setzen wir auf natürliche Kühlprinzipien statt auf energieintensive Klimatechnik.“
Um die Kühlleistung weiter zu steigern, experimentiert das Team bereits mit bio-inspirierten Ansätzen. Dafür mischen sie dem Ton Pilzkulturen sowie Holzspäne als Nährmedium bei. Das fadenförmige Pilzgeflecht wächst dann in das Material hinein und bildet ein feines Netzwerk – die sorgt für zusätzliche Porosität. Das Ton-Pilz-Gemisch wird dann 3D-gedruckt und gebrannt. Pilzmyzel und Holzspäne verbrennen und hinterlassen ein Netzwerk aus Mikro- und Makroporen, durch das sich das Wasser im Inneren des Würfels besonders gut verteilen kann.
Ein erster Prototyp der Kühlwand steht bereits auf dem Campus der TU Graz. Dort lässt sich die Kühlwirkung unmittelbar erleben.
Quelle: Technische Universität Graz
