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Sep 06, 2023

Wie intelligente Fenster Energie sparen

CREDIT: GEÄNDERT VON ISTOCK.COM / ISMAGILOV Intelligente Fenster, die sich entsprechend tönen

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Intelligente Fenster, die sich als Reaktion auf Reize wie Hitze oder Licht oder die Vorlieben des Benutzers tönen, werden immer häufiger eingesetzt, aber es kann noch eine Weile dauern, bis die Technologie zum Mainstream wird.

Spezialglas, das die Wärme im Winter drinnen hält und im Sommer abgibt, könnte Gebäude wesentlich effizienter machen – wenn Kosten und Komplexität nicht im Weg stehen

Von Brittney J. Miller 06.08.2022

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Das natürliche Licht, das durch ein sonniges Fenster fällt, ist großartig – bis Sie die Augen zusammenkneifen und sich den Schweiß von der Stirn wischen. Sie können die Jalousien schließen oder die Klimaanlage einschalten, aber das Ergebnis ist ein dunkler Raum oder eine steigende Stromrechnung.

Eine Lösung für dieses Rätsel wurde vor 40 Jahren erfunden: intelligente Fenster, anpassbar an Ihre Vorlieben. Durch die Verwendung spezieller Materialien, die bestimmte Lichtwellenlängen blockieren, passen sich diese Fenster dem Wetter oder Ihrem persönlichen Komfort an. Zu heiß? Die Fenster können getönt werden, um Licht zu blockieren und die Räume kühler zu halten. Zu kalt? Der Farbton verschwindet und warmes, natürliches Licht erwärmt Ihren Raum. Möchten Sie etwas Privatsphäre? Manches Glas kann auf Knopfdruck trüb werden.

In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Forschung zu intelligenten Fenstern dazu geführt, dass die Technologie weit über das Labor hinausgeht: Der Markt für intelligentes Glas wird bis 2028 voraussichtlich 7,5 Milliarden US-Dollar erreichen. Arten von intelligenten Fenstern sind bereits in Booten, Autos und Flugzeugen zu finden und werden es auch gelangen in Gebäude wie Büros und Flughafenterminals. Und wenn sie einige wichtige Herausforderungen meistern, könnten sie eines Tages eine wichtige Rolle dabei spielen, Häuser energieeffizienter zu machen, sagen Befürworter.

Auf Gebäude entfallen satte 39 Prozent des Energieverbrauchs in den USA, 35 Prozent davon entfallen auf Heizung, Lüftung und Klimatisierung. Da intelligente Fenster Wärme gezielt blockieren oder einlassen können, können sie diesen Energiebedarf senken: Etwa 35 Prozent der Energie eines typischen Gebäudes gehen durch Fenster verloren.

Aber damit sich intelligente Fenster durchsetzen und den Energieverbrauch aller senken, muss der Preis sinken. Aktuelle Geräte können bis zum Zehnfachen des Preises herkömmlicher energieeffizienter Fenster kosten. Die Technologie billiger und vielleicht sogar intelligenter zu machen, ist ein Bereich, der für Forscher von großem Interesse ist.

In der Zukunft, sagt der Materialphysiker Claes-Göran Granqvist, „gibt es keinen Grund, wirklich andere Fenster als diese intelligenten Fenster zu haben.“

Intelligente Fenster entstanden lange bevor Telefone und Fernseher als „intelligent“ galten. In den frühen 1980er Jahren dachten Wissenschaftler der Chalmers University of Technology in Schweden und des Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien über neue Wege zur Herstellung energieeffizienter Baumaterialien nach. Die Forscher hatten die Idee für ein reaktionsfähiges Fenster, das seinen Farbton dynamisch ändert. Granqvist, der an dieser frühen Forschung beteiligt war, verwendete in einem Förderantrag den Begriff „intelligente Fenster“. Der Name blieb hängen – und 1984 kam das erste intelligente Fenster auf den Markt.

Fenster tragen dazu bei, angenehme Räume in Gebäuden zu schaffen und spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung eines komfortablen Raumklimas. Intelligente Fenster der nächsten Generation werden der Schlüssel zu einer umweltfreundlicheren und energieeffizienteren Wirtschaft sein.

Die ursprünglichen Prototypen waren nur wenige Zentimeter groß und verfügten über Glas, das sich reversibel von transparent in verdunkelt veränderte. Dies wurde durch die schichtweise Anordnung von Glas, mehreren Materialschichten und transparenten Leitern erreicht, die kleine Stromstöße lieferten. Die Spannung veränderte die Art und Weise, wie die Materialien mit Licht interagierten – sie veränderte die Wellenlängen, die reflektiert oder absorbiert wurden.

Mit fortschreitender Technologie erforschten Forscher andere Substanzen, die Licht als Reaktion auf andere Impulse wie Hitze, ultraviolettes Licht und Magnetismus manipulieren. Heutzutage werden eine Reihe spezieller „intelligenter Materialien“ verwendet, und die Forschung erforscht immer wieder neue.

Diese frühen Prototypen verwendeten „elektrochrome“ Materialien, was bedeutet, dass sie sich als Reaktion auf elektrischen Strom oder elektrische Spannung reversibel verändern. Elektrochrome Fenster bestehen typischerweise aus insgesamt fünf Schichten, darunter zwei Schichten, die als Elektroden dienen (wie die positiven und negativen Pole einer Batterie) und eine innere Elektrolytschicht, die Ionen enthält. Beim Anlegen einer Spannung werden positiv geladene Ionen in eine Schicht getrieben, während Elektronen in die andere wandern. Durch die Reaktion entsteht eine Tönung, die einen Teil des sichtbaren Lichts sowie das wärmegepackte Infrarotlicht blockiert. Die Tönung bleibt bestehen, bis eine weitere Spannungsrunde eine Rückreaktion auslöst, die die Elektronen und Ionen extrahiert und so das Fenster wieder transparent macht.

„Es ist wie in einer elektrischen Batterie“, sagt Granqvist vom Ångström-Labor der Universität Uppsala in Schweden. „Man muss etwas Energie aufbringen, um es aufzuladen, aber dann kann man es lange behalten.“

Elektrochromes Glas wird häufig in intelligenten Fenstern verwendet und ist bereits in Sichtschutzwänden, Anzeigetafeln, Bootsfenstern, Flugzeugfenstern und einigen Schiebedächern von Autos zu finden. Einige Arten von elektrochromem Glas sind nahezu undurchsichtig, wenn sie nicht mit Strom versorgt werden. In diesem Zustand sind die reagierenden Materialien des Glases, seien es Kristalltröpfchen oder andere schwebende Partikel, willkürlich angeordnet und streuen das Licht, anstatt es durchzulassen, wodurch das Glas trüb wird. Wenn man es jedoch mit elektrischem Strom beaufschlagt, richten sich die Tröpfchen oder Kristalle aus und machen das Glas transparent.

Mit diesen und anderen elektrochromen Fenstern können Gebäudenutzer die Tönungsgrade manuell steuern. Für den ordnungsgemäßen Bau der Elektrodenanordnungen und zugehörigen Kabel sind jedoch Elektriker erforderlich, was die Konstruktion und Installation erschwert. Dadurch sind die Preise viel höher als bei einigen anderen intelligenten Fensterdesigns. Andererseits seien die Materialien relativ günstig und kostengünstige und skalierbare Produktionsmethoden seien in Sicht, sagt Granqvist.

Und bei elektrochromen Fenstern gibt es noch Verbesserungspotenzial. Forscher erforschen weiterhin neue reaktionsfähige Materialien mit dem Ziel, die Effizienz und die Lebensdauer von Fenstern zu steigern. Beispielsweise hielt ein Prototyp, der Zinnoxid enthielt, das mit zwei anderen Metallen dotiert war, die sowohl Infrarot- als auch sichtbares Licht blockieren, viel mehr Ein-/Aus-Zyklen durch als viele bestehende elektrochrome Fenster, berichteten Wissenschaftler kürzlich in ACS Omega.

Eine andere Klasse intelligenter Fenster, die sich als Reaktion auf Wärme verändern und Thermochrome genannt werden, verfügt nicht über die komplizierte Verkabelung oder Stromversorgung von elektrochromen Fenstern. Ein thermochromes Material, das seit langem untersucht wird, ist Vanadiumdioxid (VO2), sagt der Materialwissenschaftler Harlan Byker, der das Unternehmen Pleotint gründete, ein Hersteller von dynamischem Fensterglas.

Intelligente Fenster können zwischen einem transparenten und einem blockierenden Zustand wechseln. Diese Leistung wird durch die Nutzung von Materialien erreicht, die ihre Form reversibel verändern. Einige Materialien verändern sich als Reaktion auf Wärme oder Elektrizität (siehe Abbildung); andere reagieren auf ein Magnetfeld, mechanische Belastung oder Luftfeuchtigkeit.

VO2 hat die Fähigkeit, bei höheren Temperaturen (etwa 68 Grad Celsius oder 154 Grad Fahrenheit) seine Form zu verändern und dadurch Infrarotlicht zu reflektieren. Dadurch kann weiterhin sichtbares Licht einströmen, was den Raum erhellt, während gleichzeitig die Menge der einströmenden Wärme verringert und der Raum kühler bleibt. Forscher können dem VO2 spezielle Substanzen beimischen, um es bei niedrigeren Temperaturen reflektieren zu lassen, aber das behindert die Lichtreflexion – was es für das Produkt schwierig macht, vom Labor auf den kommerziellen Markt zu gelangen, sagt Byker.

Bei thermochromen Fenstern der nächsten Generation kommen möglicherweise andere Materialien zum Einsatz, die Licht absorbieren statt es zu reflektieren, wodurch bei steigenden Temperaturen eine kontinuierliche Tönung entsteht, ähnlich wie bei elektrochromen Fenstern. Eine kürzlich entwickelte Substanz nutzt Wechselwirkungen zwischen Metallionen und anderen Molekülen, um weniger Infrarot- und sichtbares Licht zu absorbieren, wenn es draußen kalt ist, und so mehr Wärme hineinzulassen. Wenn es heißer ist, absorbieren die Materialien mehr Licht und halten die damit verbundene Wärme draußen.

Jedes temperaturempfindliche Material verändert sich bei unterschiedlichen Temperaturen und kann mehr oder weniger getönt aussehen – und bringt Herausforderungen mit sich, sagt der Materialwissenschaftler Long Yi von der Nanyang Technological University in Singapur. Einige, wie zum Beispiel ein Polymer namens Hydrogel, leiten Hitze gut ab, weisen aber eine Tönung auf, die zu undurchsichtig ist, um durchschauen zu können. Andere, wie z. B. VO2, sind transparent genug, um den Blick zu bewahren, sind aber nicht so energieeffizient, weil sie nicht so gut Wärme reflektieren können.

„Es gibt keine perfekten Materialien“, sagt Yi. „Wir können nur für bestimmte Anwendungen das perfekte Material finden.“

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Eine Anwendung besteht darin, Fenster zu konstruieren, die nicht nur Licht streuen, sondern auch Wärme einfangen. Yis Labor entwickelt beispielsweise thermochrome Fenster, die die in der sonnigsten Tageszeit gesammelte Wärme speichern und sie wieder abgeben können, wenn der Bedarf und die Kosten in kühleren Tageszeiten geringer sind.

Sie können dies tun, indem sie Hydroflüssigkeit – eine Kombination aus Wasser und Hydrogel – zwischen zwei Glasscheiben platzieren. Polymerketten im Hydrogel dehnen sich aus, wenn die Temperaturen unter 30 Grad Celsius (86 Grad Fahrenheit) sinken, wodurch das Glas transparent wird. Oberhalb dieser Schwelle zerknittern die Ketten wie Papier und verflechten sich miteinander, um einen Farbton zu erzeugen, der nahinfrarotes und sichtbares Licht streut. Dank des Wassers in der Mischung, das große Mengen an Wärme speichern kann, absorbiert die Hydroflüssigkeit die Wärme und gibt sie im Laufe der Zeit allmählich ab. Dies kann den Simulationsdaten von Yi zufolge den Energiebedarf für Heizung, Lüftung und Klimaanlage im Vergleich zu Doppelglas um 35 Prozent senken.

Ihre neueste Studie stellt ein Zwei-Wege-Fenster vor. Im Jahr 2021 in Science beschrieben, entwickelte Yis Team ein Fenster – mit energieeffizienten Beschichtungen und VO2 – das wärmegepacktes Infrarotlicht daran hindert, in Gebäude einzudringen, während es Innenwärme abstrahlen lässt und so Räume im Sommer kühlt. Dieser Mechanismus kehrt sich im Winter um, wenn die Temperaturen kälter werden – die Materialien lassen Licht eindringen und verhindern, dass die Innenwärme nach außen abstrahlt. Im Vergleich zu aktuellen kommerziellen, energieeffizienten Glasbeschichtungen könnte diese neue Technologie bis zu 15 Prozent des Energieverbrauchs einsparen, sagt Yi.

Forscher entwickeln intelligente Fenster, die im Sommer den Eintritt von wärmegepacktem Nahinfrarotlicht blockieren und gleichzeitig die Wärme nach außen abstrahlen lassen (links); Im Winter lassen diese Fenster das Nahinfrarotlicht herein und verhindern, dass die Innenwärme nach außen strahlt (rechts). Sichtbares Licht kommt zu jeder Jahreszeit durch.

CREDIT: S. WANG ET AL / WISSENSCHAFT 2021

Intelligente Fenster können der Welt dabei helfen, Fortschritte bei der Energieeinsparung zu erzielen – aber wie bei anderen Innovationen wie Elektroautos zu sehen ist, kann der Weg in eine umweltfreundlichere Zukunft etwas holprig sein.

Die hohen Preise für intelligente Fenster stellen ein großes Hindernis für ihre Verbreitung in mehr Räumen dar, heißt es in einem Überblick über intelligente Fenstermaterialien aus dem Jahr 2016 im Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. Beispielsweise können elektrochrome Fenster aufgrund ihrer komplizierten Antriebssysteme und langwierigen Installationsprozesse um ein Vielfaches teurer sein als energieeffiziente Fenster. Und obwohl thermochrome Fenster günstiger sind, kosten sie dennoch mehr als normale Fenster. Die meisten Verbraucher würden lieber die günstigere Variante wählen, auch wenn ihnen die Energievorteile intelligenter Fenster fehlen.

Wissenschaftler verbessern die Technologie weiterhin, aber zum jetzigen Zeitpunkt hängt der Erfolg oder Misserfolg intelligenter Fenster weitgehend von der Wirtschaftlichkeit ab. Damit sich intelligente Fenster durchsetzen, müssen ihre Preise sinken, sagt der Materialwissenschaftler und Elektroingenieur Carl Lampert, geschäftsführender Gesellschafter des Fensterbeschichtungs-Beratungsunternehmens Star Science. Die Einbeziehung der Fenster in staatliche Rabattprogramme – wie das Energy Star-Symbol für energieeffiziente Produkte – könnte helfen. Auch eine bessere Aufklärung der Verbraucher über neue Fortschritte, deren Leistung und Energieeinsparungen könnte die Nachfrage steigern.

Die Forschung ebnet langsam den Weg zu einfacheren, günstigeren und langlebigeren intelligenten Fenstern, die Kosten und Risiken senken. Aber die Verbraucher müssen möglicherweise auf sie warten: Yi schätzt, dass es zehn Jahre dauern könnte, bis neue Produkte die Labore verlassen und auf den Markt kommen.

Mit der Zeit könnten sich solche Fenster weiter verbreiten und sich passiv an die Wünsche der Verbraucher anpassen oder auf Knopfdruck reagieren – wie die Fernbedienung eines Fernsehers, sagt Lampert. Er stellt sich eine Zukunft vor, in der er bei Home Depot nach einem intelligenten Fenster fragen kann, ohne bei den Arbeitern Verwirrung zu stiften. Und andere Forscher sind sich einig:

„Dynamische Fenster sind unvermeidlich“, sagt Byker. „Hier gibt es nur eine Menge Geburtswehen.“

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Brittney J. Miller (@BrittneyJMiller) ist eine Wissenschaftsjournalistin aus Florida, die es liebt, über die Welt um sie herum zu schreiben.

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Um Fenster intelligenter und energieeffizienter als je zuvor zu machen, erforschen Forscher neue Materialien, die sich je nach Strom, Temperatur oder Lichtintensität tönen.

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