„Flüssige“ Fenster sparen 50 Prozent Energie

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Lichtfrequenzen werden laut Forschern der University of Toronto je nach Bedarf blockiert

Ingenieure der University of Toronto haben laut einer Medienmitteilung vom 30.01.2023 ein mehrschichtiges Fluidsystem,  „flüssige“ Fenster entwickelt, mit denen die Energiekosten für Heizung, Kühlung und Beleuchtung von Gebäuden entscheidend gesenkt werden können, sie lassen sich elektrisch steuern, sodass sie je nach Bedarf unterschiedliche Spektren des Lichts durchlassen oder blockieren. Laut einem Open-Access-Artikel in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) wird das Fenster an kühlen hellen Tagen für sichtbares Licht auf „Durchgang“ geschaltet, während Wärmestrahlung blockiert wird, um ein Entweichen durchs Fenster zu verhindern. An heißen Tagen lässt sich direkte Sonnenstrahlung dimmen, während infrarotes Licht reflektiert wird, um ein Überhitzen des Innenraums zu verhindern.

Fluidic Window – Foto © engineering.utoronto.ca

Die Plattform wurde von der dynamischen, die Farbe wechselnden Haut von Organismen wie dem Tintenfisch inspiriert. Im Vergleich zu bestehenden Technologien bietet sie eine weitaus bessere Kontrolle und hält gleichzeitig die Kosten niedrig, da sie aus einfachen, handelsüblichen Komponenten besteht. „Gebäude verbrauchen eine Menge Energie zum Heizen, Kühlen und Beleuchten ihrer Innenräume“, sagt Raphael Kay, Hauptautor des PNAS-Artikels. „Wenn wir die Menge, Art und Richtung der Sonnenenergie, die in unsere Gebäude eindringt, strategisch steuern können, können wir die Arbeit, die wir Heizungen, Kühlern und Lampen abverlangen, massiv reduzieren.

Gegenwärtig können bestimmte „intelligente“ Gebäudetechnologien wie automatische Jalousien oder elektrochrome Fenster – die ihre Lichtundurchlässigkeit als Reaktion auf einen elektrischen Strom verändern – eingesetzt werden, um die Menge des in den Raum einfallenden Sonnenlichts zu steuern. Laut Kay sind diesen Systemen jedoch Grenzen gesetzt: Sie können nicht zwischen verschiedenen Wellenlängen des Lichts unterscheiden und auch nicht steuern, wie das Licht räumlich verteilt wird. „Sonnenlicht enthält sichtbares Licht, das sich auf die Beleuchtung im Gebäude auswirkt, aber es enthält auch andere unsichtbare Wellenlängen, wie z. B. Infrarotlicht, das wir uns im Wesentlichen als Wärme vorstellen können“, erklärt er. „Mitten am Tag im Winter möchte man wahrscheinlich beides hereinlassen, aber mitten am Tag im Sommer möchte man nur das sichtbare Licht und nicht die Wärme hereinlassen. Heutige Systeme können dies in der Regel nicht: Sie blockieren entweder beides oder keines davon. Sie haben auch keine Möglichkeit, das Licht auf nützliche Weise zu lenken oder zu streuen. Das von Kay und seinem Team entwickelte System nutzt die Möglichkeiten der Mikrofluidik, um eine Alternative zu bieten.

Ihre Prototypen bestehen aus flachen Kunststoffplatten, die mit einer Reihe von millimeterdicken Kanälen durchzogen sind, durch die Flüssigkeiten gepumpt werden können. Maßgeschneiderte Pigmente, Partikel oder andere Moleküle können in die Flüssigkeiten gemischt werden, um zu steuern, welche Art von Licht durchgelassen wird – z. B. sichtbare oder Nahinfrarot-Wellenlängen – und in welche Richtung dieses Licht dann verteilt wird. Diese Folien können in einem mehrschichtigen Stapel kombiniert werden, wobei jede Schicht für eine andere Art von optischer Funktion zuständig ist: Steuerung der Intensität, Filterung der Wellenlänge oder Abstimmung der Streuung des durchgelassenen Lichts in Innenräumen. Durch den Einsatz kleiner, digital gesteuerter Pumpen zum Hinzufügen oder Entfernen von Flüssigkeiten aus jeder Schicht kann das System die Lichtübertragung optimieren.

„Es ist einfach und kostengünstig, aber es ermöglicht auch eine unglaubliche kombinatorische Kontrolle. Wir können dynamische Gebäudefassaden in flüssigem Zustand entwerfen, die im Grunde alles tun, was man in Bezug auf ihre optischen Eigenschaften tun möchte“, sagt Kay.

Die Arbeit baut auf einem System auf, das mit injizierten Pigmenten arbeitet und von demselben Team Anfang des Jahres entwickelt und in Nature Communications veröffentlicht wurde. Während diese Untersuchung für Fassaden von den farbwechselnden Fähigkeiten mariner Gliederfüßer inspiriert wurde, ist das aktuelle System eher mit der mehrschichtigen Haut von Tintenfischen vergleichbar. Viele Tintenfischarten haben eine Haut, die übereinanderliegende Schichten spezialisierter Organe enthält, darunter Chromatophoren, die die Lichtabsorption steuern, und Iridophoren, die die Reflexion und das Schillern beeinflussen. Diese einzeln adressierbaren Elemente arbeiten zusammen, um ein einzigartiges optisches Verhalten zu erzeugen, das nur durch ihr Zusammenwirken möglich ist.

Während sich die Forscher der Universität von Toronto auf die Prototypen konzentrierten, erstellte Jakubiec detaillierte Computermodelle, mit denen die potenziellen energetischen Auswirkungen der Verkleidung eines hypothetischen Gebäudes mit dieser Art von dynamischer Fassade analysiert wurden. Diese Modelle stützten sich auf physikalische Eigenschaften, die an den Prototypen gemessen wurden. Das Team simulierte auch verschiedene Steuerungsalgorithmen für die Aktivierung oder Deaktivierung der Schichten als Reaktion auf sich ändernde Umgebungsbedingungen.

„Wenn wir lediglich eine Schicht hätten, die sich auf die Modulation der Übertragung von Nahinfrarotlicht konzentriert – also den sichtbaren Teil des Spektrums gar nicht berührt -, könnten wir im Vergleich zu einer statischen Basislinie jährlich etwa 25 % an Heiz-, Kühl- und Beleuchtungsenergie einsparen“, so Kay. „Wenn wir zwei Schichten haben, Infrarot und sichtbares Licht, sind es eher 50 %. Das sind ganz erhebliche Einsparungen.“ In derUntersuchung wurden die Steuerungsalgorithmen von Menschen entworfen, aber Hatton weist darauf hin, dass die Herausforderung, sie zu optimieren, eine ideale Aufgabe für künstliche Intelligenz wäre, eine mögliche zukünftige Richtung für die Forschung. „Die Idee eines lernenden Gebäudes, das diese dynamische Anordnung selbständig anpassen kann, um sie für die jahreszeitlichen und täglichen Veränderungen der Sonnenverhältnisse zu optimieren, ist für uns sehr spannend“, sagt er.

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