Eine neu entwickelte Keramikwand soll aufgeheizte Innenräume und öffentliche Bereiche auf natürliche Weise kühlen. Forschende der TU Graz kombinieren dafür Verdunstungskühlung mit 3D-Druck. Einen ersten Prototyp können Interessierte bereits in Graz besichtigen.
Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen poröse Keramikwürfel mit einer Kantenlänge von rund 23 Zentimetern. Das Team entwirft ihre Struktur digital und fertigt sie anschließend mit einem 3D-Drucker aus einer speziellen Tonmischung.
Die Würfel speichern Wasser in zahlreichen feinen Poren. Verdunstet die Flüssigkeit, entzieht sie der Umgebung Wärme. Dadurch sinkt die Temperatur in unmittelbarer Nähe der Keramikelemente.
Altes Kühlprinzip trifft moderne Fertigung
Die sogenannte Verdunstungskühlung kommt seit Jahrhunderten zum Einsatz. Tonkrüge halten Wasser kühl, während traditionelle Windtürme in heißen Regionen Luftströme und Verdunstung zur Temperatursenkung nutzen.
Die Forschenden der TU Graz übertragen dieses Prinzip auf moderne Bauteile. Der 3D-Druck ermöglicht dabei Formen, die sich mit herkömmlichen Produktionsmethoden kaum herstellen lassen.
„Das funktioniert schon seit Jahrhunderten bei Tonkrügen ebenso wie in traditionellen Windtürmen“, erklärt Milena Stavric von der TU Graz. „Der entscheidende technologische Fortschritt liegt hier im Einsatz des 3D-Drucks, mit dem wir hochkomplexe, poröse und funktionsoptimierte Geometrien aus Tongemischen herstellen. Diese speziellen Strukturen speichern Wasser besonders effizient und schaffen bei geringem Volumen eine enorme Verdunstungsoberfläche.“
Poröse Struktur verteilt Wasser im gesamten Würfel
Das Team verwendet eine geometrische Struktur mit besonders großer Oberfläche. Gleichzeitig benötigt sie vergleichsweise wenig Material. Fachleute bezeichnen diese Form als dreifach periodische Minimalfläche, kurz TPMS.
Nach dem Druck brennen die Forschenden die Tonwürfel bei relativ niedrigen Temperaturen. Dadurch bleibt das Material stark porös. Die Keramik nimmt Wasser über Kapillarkräfte auf und verteilt es durch die gesamte Struktur.
An der großen Oberfläche kann das Wasser anschließend gleichmäßig verdunsten. Dieser Vorgang entzieht der vorbeiströmenden Luft Wärme und erzeugt den gewünschten Kühleffekt.
Pilzgeflecht erzeugt zusätzliche Poren
Im sogenannten Shape Lab der TU Graz untersucht das Team weitere Materialvarianten. Dabei orientieren sich die Forschenden auch an Strukturen aus der Natur.
Sie mischen unter anderem Pilzkulturen und Holzspäne in den Ton. Das Pilzmyzel wächst vor dem Brennvorgang durch das Material und bildet ein feines Geflecht.
Beim Brennen verbrennen das Myzel und die Holzbestandteile. Zurück bleibt ein System aus unterschiedlich großen Poren. Diese Hohlräume verbessern die Wasserverteilung im Inneren und können dadurch die Verdunstung unterstützen.
Test zeigt Temperaturunterschied von fast sieben Grad
Einen ersten Praxistest führte das Team in einem stark aufgeheizten Dachgeschoss der TU Graz durch. Die Forschenden befüllten einen Würfel mit Wasser und maßen die Temperatur in seiner direkten Umgebung.
Dabei registrierten sie einen Rückgang um knapp sieben Grad Celsius. Der gemessene Wert gilt allerdings für den kontrollierten Versuchsaufbau unmittelbar am Keramikelement. Die tatsächliche Kühlung größerer Räume hängt unter anderem von Luftfeuchtigkeit, Luftbewegung, Raumgröße und Wassermenge ab.
„Im gesamten Raum war die Kühlwirkung deutlich spürbar“, sagt Kristijan Ristoski. Er verband die einzelnen Keramikwürfel im Rahmen seiner Masterarbeit mit einem steuerbaren Wasserkreislauf und entwickelte daraus die vorgestellte Kühlwand.
Seeschlamm könnte als Baustoff dienen
Neben klassischen Tonmischungen prüft das Forschungsteam auch alternative Rohstoffe. Dazu zählt Schlamm aus dem Neusiedler See.
Dort entfernen Fachleute regelmäßig Sedimente, um die fortschreitende Verlandung des flachen Sees zu begrenzen. Bislang findet das ausgebaggerte Material nur wenig Verwendung.
Die Forschenden untersuchen deshalb, ob sich Teile des Schlamms für keramische Bauteile aus dem 3D-Drucker eignen. Gelänge dieser Ansatz, könnte ein bisher kaum genutzter Reststoff in neue Bauprodukte einfließen.
Keramikwand soll Klimaanlagen ergänzen
Die Technologie soll vor allem dort helfen, wo Bäume, Beschattung oder bauliche Veränderungen nur eingeschränkt möglich sind. Denkbare Einsatzorte sind Schulen, Büros, Wohngebäude, Haltestellen, Innenhöfe oder öffentliche Plätze.
Die Keramikelemente benötigen für den eigentlichen Kühlprozess keine strombetriebene Kältemaschine. Pumpen und Wasserkreisläufe können je nach Ausführung dennoch Energie verbrauchen. Zudem funktioniert Verdunstungskühlung bei trockener Luft besser als bei hoher Luftfeuchtigkeit.
Die Wand ersetzt daher nicht automatisch eine Klimaanlage. Sie könnte jedoch bestehende Kühlkonzepte ergänzen und den Energiebedarf in geeigneten Situationen reduzieren.
„Unser Ziel ist es, Kühlung dort bereitzustellen, wo Menschen besonders unter Hitze leiden – etwa in Städten, wo Kühlung durch Bäume teilweise kaum möglich ist. Dafür setzen wir auf natürliche Kühlprinzipien statt auf energieintensive Klimatechnik“, sagt Milena Stavric.
Demonstrationswand steht am Campus der TU Graz
V.l.: Julian Jauk, Milena Stavric und Kristijan Ristoski vom Institut für Architekur und Medien der TU Graz.
Fotograf: Helmut Lunghammer / TU Graz
Die TU Graz hat am Campus Neue Technik in der Stremayrgasse eine freistehende Demonstrationswand errichtet. Die Konstruktion misst etwa zwei mal zwei Meter und besteht aus den entwickelten Tonelementen.
Außerdem können Interessierte die Technologie im Museum der Wahrnehmung in Graz kennenlernen. Dort zeigt das Projektteam ebenfalls, wie die porösen Keramikelemente Wasser speichern und ihre Umgebung durch Verdunstung abkühlen.
Die Forschenden suchen nun den Austausch mit Planungsbüros und Unternehmen. Dadurch könnten aus den bisherigen Prototypen künftig Bauteile für Gebäude und öffentliche Räume entstehen.
