Gebäude verbrauchen einen großen Teil der Energie für Heizung und Kühlung. Ein wesentlicher Treiber ist Sonnenstrahlung. Besonders der nahinfrarote Anteil (NIR) transportiert Wärme ins Innere. Klassische Sonnenschutzverglasungen sind statisch. Sie lassen sich nicht an Tageszeit, Wetter oder Jahreszeit anpassen. Genau hier setzen elektrochrome Fenster an. Sie verändern ihre optischen Eigenschaften per elektrischer Spannung – gezielt und reversibel.
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Wärme steuern statt nur Licht dämpfen
Im Zentrum der aktuellen Forschung stehen hexagonale Wolframoxid-Nanostrukturen. Diese Materialien reagieren auf kleine Spannungen. Sie werden dunkler oder heller, verändern ihre Transparenz und blockieren gezielt NIR-Strahlung. Entscheidend ist ihre innere Struktur: winzige, sechseckige Tunnel. Diese wirken als aktive Zonen, in die Ionen eingelagert werden. Dadurch ändert sich die Wechselwirkung mit Licht und Wärme.
Bisher nutzten viele Systeme Lithiumionen. Sie sind klein und bewegen sich leicht durch diese Tunnel. Der Nachteil: Lithium ist teuer und begrenzt verfügbar. Natrium wäre attraktiver. Es ist deutlich häufiger und günstiger. Technisch galt es jedoch als problematisch. Natriumionen sind größer. Dotierstoffe, die die Tunnel stabilisieren, blockierten ihren Weg.
Natrium statt Lithium – ohne Strukturverlust
Ein Forschungsteam um Assistenzprofessor Sungyeon Heo von der Seoul National University of Science and Technology hat dieses Hindernis überwunden. Der Ansatz: Dotierstoffe, die sich nach der Synthese gezielt wieder entfernen lassen. Eine einfache Wärmebehandlung reicht aus. Die Tunnel bleiben stabil, sind danach aber frei für Natriumionen.
„Unsere Strategie ermöglicht eine effektive Nutzung der hexagonalen Tunnel für die Einlagerung von Natriumionen. Damit zeigen wir, dass kostengünstige Natriumelektrolyte eine große NIR-Modulation erreichen können, die mit der eines Lithium-basierten Systems vergleichbar ist“, sagt Dr. Heo. Selbst bei extrem dünnen Schichten von 150 nm erzielen die Materialien eine hohe Wärmeschutzwirkung.
Produktionstauglich und vielseitig einsetzbar
Neben der Materialeigenschaft überzeugt der Herstellungsprozess. Die Nanostäbchen entstehen in einem einzigen Reaktor-Batch. Druck und Temperatur lassen sich präzise steuern. Das vereinfacht die Skalierung. Automatisierte Systeme könnten die Produktion weiter beschleunigen.
Ein weiterer Vorteil: Die Nanomaterialien liegen kolloidal vor. Sie lassen sich als Beschichtung auf Glas aufbringen oder in Verbundmaterialien integrieren. Damit sind sie nicht auf Fenster beschränkt. Denkbar sind auch Anwendungen in Fahrzeugen, Displays oder adaptiven Fassaden.
Anpassung an Klima und Nutzung
Der Nutzen hängt stark vom Einsatzort ab. In sehr heißen Regionen können Fenster dauerhaft im wärmeblockierenden Zustand betrieben werden. So bleibt der solare Wärmeeintrag gering. In Klimazonen mit starken Jahreszeiten lässt sich der Zustand dynamisch wechseln. Im Sommer blockieren die Fenster NIR-Strahlung. Im Winter lassen sie mehr Wärme hinein. Die Steuerung folgt dem Bedarf der Nutzer*innen und den äußeren Bedingungen.
Das senkt den Energiebedarf für Klimaanlagen und Heizungen. Gleichzeitig bleibt der Tageslichteintrag weitgehend erhalten. Genau diese Trennung von Licht und Wärme gilt als technischer Schlüssel.
Blick nach vorn
In den kommenden 5 bis 10 Jahren könnten solche Materialien intelligente Fenster massentauglich machen. Entscheidend sind Kosten, Haltbarkeit und Integration in bestehende Gebäudesysteme. Die neue Natrium-Strategie adressiert einen zentralen Kostenfaktor.
„Unsere Studie zeigt Materialdesigns und Verarbeitungsstrategien, die mit kostengünstigen, auf der Erde reichlich vorhandenen Komponenten wie Natriumelektrolyt und skalierbaren Synthesemethoden kompatibel sind“, fasst Dr. Heo zusammen. Ziel ist klar: weniger Energieverbrauch im Alltag, ohne Komfortverlust.
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