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Neuartige Fenster mit Energiespar-Effekt

05.11.2010
Gebäudeverglasungen oder Fenster, die ihre Lichtdurchlässigkeit und Farbe je nach Sonneneinstrahlung verändern: Damit ließe sich Energie sparen.

Im Sommer würden solche Scheiben die Wärmestrahlung von draußen besser abhalten, so dass zum Beispiel in Bürogebäuden weniger Klimatisierung nötig wäre. Und im Winter könnten sie den Wärmeverlust aus geheizten Räumen deutlich verringern. An der Realisierung solcher Fenster wirken Forscher der Uni Würzburg mit.


Die Farben verschiedener Metallo-Polyelektrolyte variieren in Abhängigkeit vom Metall-Ion, das sie enthalten. Oben ist Eisen im Spiel, in der Mitte Ruthenium, unten Cobalt. Foto: Dirk Kurth


Aufbau von Metallo-Polyelektrolyten: Bringt man Terpyridin-Moleküle und Metall-Ionen in Wasser zusammen, entstehen von alleine lange Ketten. Die Verknüpfung zwischen den Terpyridinen kann starr oder flexibel sein und auch funktionelle Gruppen enthalten. Grafik: Dirk Kurth

Verglasungen, die ihre Farbe ändern, sind industriell bereits herstellbar. So gibt es zum Beispiel Rückspiegel im Auto, die sich automatisch verdunkeln, wenn Licht auf ihre Sensoren fällt. Der Fahrer wird dann nicht geblendet.

„Der Aufbau der bislang realisierten Produkte ist aber kompliziert, die Fertigung aufwändig und teuer“, sagt Professor Dirk Kurth vom Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese an der Uni Würzburg. Zudem funktioniere die Technik für großflächige Verglasungen bis heute nicht richtig: Die Scheiben werden schnell trübe oder fleckig – eine Folge ihres komplizierten Aufbaus aus mindestens fünf unterschiedlichen Materialschichten.

„Smart Windows“ mit elektrisch schaltbarer Tönung

Mit neuartigen Materialien – Metallo-Polyelektrolyten – wollen Wissenschaftler das System nun vereinfachen, besser machen und die Fertigungskosten erheblich senken. Ihr Ziel heißt „Smart Windows“, neue Fenstertypen mit einer farbigen Tönung, die sich elektrisch schalten lässt. Das Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung und Professor Kurth haben hierzu ein Verbundprojekt initiiert, das vom Bundesforschungsministerium mit 1,1 Millionen Euro gefördert wird.

Die Herstellung der „Smart Windows“ ist relativ einfach: Es genügen zwei Glasscheiben, bei denen die einander zugewandten Seiten mit einer dünnen, transparenten Elektrode bedeckt sind. Darauf wird eine hauchfeine Schicht aus Metallo-Polyelektrolyten (MEPE) aufgebracht. Das geht verhältnismäßig simpel durch Eintauchen in eine wässrige MEPE-Lösung. Die Scheiben werden dann aufeinandergelegt und die dazwischen befindliche, störende Luftschicht durch das Einfüllen eines sirupartigen, neutralen Materials verdrängt. Zum Schluss wird das System abgedichtet.

Metall-Ionen sorgen für den Farbwechsel

Wodurch zeichnen sich die Metallo-Polyelektrolyte aus, die solche neuartigen Fenster ermöglichen sollen? Es handelt sich um lange Molekülketten, in denen einzelne organische Bausteine, so genannte Terpyridine, durch Metall-Ionen miteinander verknüpft sind.

Die Metall-Ionen sind für die Farbe des Materials verantwortlich und lassen sich elektrisch schalten. Wenn sie Elektronen aufnehmen oder abgeben, entsteht oder verblasst die Farbe; die Änderungen sind umkehrbar. Geben zum Beispiel zweiwertige Eisen-Ionen Elektronen ab, wird Blau zu Farblos. Andere Metall-Ionen sorgen für andere Farben: Mit Cobalt ergibt sich ein rötlicher, mit Nickel ein orangefarbener Ton.

Farbe und Transparenz der Fenster lassen sich verändern, indem man die Metallo-Polyelektrolyte über die Elektrode mit niedrigen Spannungen von 1 bis 1,5 Volt schaltet. Einfache Batterien genügen dafür. Dank der speziellen Eigenschaften der MEPE kann die Grundfarbe der Verglasung variiert werden. Es ist auch möglich, in einem Fenster verschiedene Metall-Ionen einzusetzen und so mehrere Farben durchzuschalten. „Mal rot, mal blau – das wäre zum Beispiel für Firmen interessant, die auf den Glasflächen ihres Gebäudes Werbebotschaften transportieren wollen“, sagt Kurth.

Synthese der MEPE an der Universität

Die Arbeitsgruppe des Professors synthetisiert die Metallo-Polyelektrolyte, die Kooperationspartner analysieren sie: Welche Kombinationen mit welchen Metall-Ionen eignen sich am besten? Wie erfolgt im Fenster der Elektronentransfer von der Elektrode in die metallorganische Schicht? Was genau passiert in den MEPES, wenn sie elektrisch geschaltet werden?

Solche grundlegenden Untersuchungen sind nötig, um das System der „Smart Windows“ genau zu verstehen. Nur dann lassen sich ihnen optimale Tönungseigenschaften, eine lange Lebensdauer, kurze Schaltzeiten und andere Eigenschaften verleihen. Ziel der Wissenschaftler: Nach zwei Jahren wollen sie ein Demonstrations-Fenster realisiert haben, an dem zum Beispiel Interessenten aus der Industrie die Vorzüge der Technik sehen können.

Spannend auch für Studierende

An der Entwicklung der neuartigen Fenster können auch Studierende mitwirken, indem sie zum Beispiel ihre Bachelor- oder Masterarbeiten über das Thema schreiben. Diese Möglichkeit bietet sich in den Studiengängen Technologie der Funktionswerkstoffe (TecFun) und Chemie.

Projektpartner im Smart-Windows-Verbund

Die Kooperationspartner im Verbundprojekt „SmartWin-MEPE“ sind: Professor Dirk Kurth vom Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese, das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg, das Institut für Werkstoffe und Elektrotechnik am Karlsruher Institut für Technologie sowie die Bundesanstalt für Materialprüfung (Berlin). Sprecher des Verbunds ist Dieter Sporn vom ISC Würzburg.

Kontakt

Dieter Sporn, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung Würzburg, Sprecher des Forschungsverbunds SmartWin-MEPE, T (0931) 4100-400, sporn@isc.fraunhofer.de

Prof. Dr. Dirk Kurth, Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese, Universität Würzburg, T (0931) 31-82631, dirk.kurth@matsyn.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität W
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de
http://www.isc.fraunhofer.de

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