Zukunftswelten 29.05.2009, 19:41 Uhr

Smarte Fenster in Wänden von Pappe

Gebäude brauchen zu viel Energie. Das wird sich in Zukunft dank neuer Materialien ändern. Forscher arbeiten an Hochleistungs-Dämmstoffen, elektronisch steuerbaren Isolierfenstern oder Wänden und Decken, die Temperaturschwankungen puffern. Mikro- und Nanotechnologie helfen dabei. Auch rund um Beton und Holz sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgereizt. VDI nachrichten, Berlin, 29. 5. 09, moc

Holz schweißen? – Eine befremdliche Idee. Doch Forscher der Fachhochschule Architektur, Holz und Bau in Bern gehen ihr seit Jahren nach. Und siehe da: es klappt. Die Schweizer haben ein Reibschweißverfahren entwickelt, bei dem das Lignin im Holz schmilzt und im gleichen Augenblick eine feste Verbindung mit angrenzenden Holzstrukturen eingeht. Das ist schneller als Kleben und Schrauben und schont Ressourcen.

Ob und wann das Verfahren eine Rolle am Bau spielen wird, ist ungewiss. Doch es sind solche zuerst fremd anmutenden Ideen, die neue Wege in der Bautechnik eröffnen.

So auch Gerd Niemöllers Pappewaben. Der Ingenieur hat damit ein 5000-Dollar-Haus realisiert. Und erste Großbestellungen aus Afrika zeigen, dass seine Pläne Hand und Fuß haben. Die wasser- und hitzebeständigen Waben bestehen aus melamingetränktem Papier, das seine The-Wall AG in Schaffhausen bei 30 bar und 220 °C in Wabenform presst. Diesen Kern, der wie eine vergrößerte Honigwabe aussieht, wird im Vakuumverfahren beidseitig beschichtet. Heraus kommen 1,50 m breite, beliebig lange Platten, die 440 t/m2 tragen. Zudem isolieren sie laut Hersteller wie 40 cm dickes Styropor.

Wie Niemöller fahnden viele Entwickler nach Baustoffen, die filigrane und zugleich robuste Konstruktionen erlauben.

Etwa Michael Schmidt von der Uni Kassel, der dem Uraltbaustoff Beton mit modernen Analyse- und Fertigungsmethoden auf den Grund geht: „Mit bildgebenden Verfahren können wir heute Partikel von 1 bis 2 µm Durchmesser erfassen.“

Beton soll bald auch Stahlgussteile ersetzen

Derzeit laufen in Kassel Untersuchungen mit dem Ziel, von der Form und Porösität verschiedener Mikrokörner auf die Packungsdichte und rheologischen Eigenschaften von Zementbindemitteln zu schließen. Ihr Ziel: Beton, der fester als Stahl ist und künftig sogar Stahlgussteile ersetzen könnte.

Schon heute nimmt es ultrahochfester Beton mit Stahl auf. Seine Druckfestigkeiten bewegen sich um 200 N/mm2 und versetzt mit kurzen Stahl- oder Kunststofffasern hält er Zugbelastungen über 15 N/mm2 und Biegezugkräften bis 50 N/mm2 stand. „Eine herkömmliche Bewehrung wird bei solchen Werten überflüssig“, so Schmidt. Das Potenzial der Entwicklung ist noch nicht absehbar.

Der Forscher geht davon aus, dass Gebäude bis 900 m Höhe und längere, schlankere Brücken möglich werden.

Neben architektonischer Freiheit könnte der feste Beton auch einen Beitrag zum Klimaschutz leisten: Die Produktion von 1 t Zement setzt 0,8 t CO2 frei. Bei einer globalen Jahresproduktion von über 14 Mrd. t Beton schlägt das mit 5 % des weltweiten CO2-Ausstoßes zu Buche. Filigranere Bauwerke könnten die Betonmenge und so die Klimabelastung reduzieren.

Auch im Altbaubestand sollen neue Materialien helfen, die Energieeffizienz zu steigern. Entwickler aus Industrie und Forschungsinstituten arbeiten an neuen Dämmstoffen oder an elektronisch schaltbaren Fassaden. Sie sollen sowohl in Altbauten wie in effizienten Neubauten Einzug halten.

Ein Brennpunkt solcher Forschung ist das Zentrum für angewandte Energieforschung (ZAE) in Würzburg. Ein Ansatz sind Vakuumdämmplatten. Kern der nur 5 mm bis 80 mm dünnen Paneele sind gepresste Platten aus mikroporöser Kieselsäure. Sie werden von nahezu gasdichter Folie umhüllt.

Unterm Strich entsteht so eine Wärmeleitfähigkeit die deutlich unter der von Styropor liegt. Doch der Raumvorteil, der sich daraus ergibt, ist teuer erkauft. „Planer müssen exakt berechnen, wie viele Paneele welcher Größe benötigt werden“, berichtet Hans-Peter Ebert, Abteilungsleiter am ZAE. Und wegen des Vakuums seien Nägel, Schrauben oder Ähnliches in eine derart isolierten Wand tabu. Auf absehbare Zeit handelt es sich so eher um ein Nischenprodukt: „Noch sind die Systeme zu teuer und haben nur dort Chancen, wo Denkmalschutzauflagen oder ästhetische Gründe den Aufpreis rechtfertigen.“

Ein Ziel sei es darum, die teure Kieselsäure durch billigere Materialien zu ersetzen. Dafür müssten auch neue Hüllenmaterialien her, um die Gasdiffusion zu minimieren. Eine Abkehr vom Vakuum ist ebenfalls denkbar – mithilfe nanoporöser Schäume. Doch das ist Zukunftsmusik: „Bis zur industriellen Fertigung solcher Schäume ist es noch ein weiter Weg“, so der Forscher.

Doch passive Dämmsysteme sind nicht das Ende der Fahnenstange. Das ZAE sucht auch nach schaltbaren Dämmungen. Im Sommer werden sie auf hohe Isolierleistung geschaltet. Im Winter sollen sie dagegen eintreffende Sonnenenergie ins Rauminnere transportieren und so die Heizung unterstützen. Möglich wird das mit edelstahlblechumhüllten 2 cm starken Paneelen. Darin befinden sich neben gepressten Glasfasern einige Gramm eines Metallhydrids, das bei Bedarf Wasserstoff freisetzt und wieder bindet. Strömt das Gas aus, steigt die Wärmeleitfähigkeit des Paneels um den Faktor 40. Geschaltet wird elektrisch. „Wir haben seit einigen Jahren einen Prototyp in Betrieb“, berichtet Ebert. Allerdings stoße das System in der Baubranche bisher auf wenig Resonanz: „Die Zeit dafür ist wohl noch nicht reif.“

Smarte Fenster sollen den Lichteinfall lenken

Auch schaltbare Fenster und Vakuumfenster sind bisher nur Objekte der Forschung. Ein großes Konsortium will das hierzulande ändern und Vakuumdoppelfenster zur Serienreife bringen. Ihr Ug-Wert soll bei 0,5 W/m2K liegen und edelgasgefüllte 3-fach-Verglasungen unterbieten.

Zugleich suchen diverse Forschungsinstitute Lösungen für „smarte Fenster“. Kasseler Forscher wollen Milliarden Mikrospiegel in Fensterzwischenräume integrieren, die je nach Bedarf Sonnenlicht in Räume lenken oder es reflektieren.

Andere Forscher setzen auf nanostrukturierte oder -beschichtete Fenster. Näher am Markt sind Metalloxidschichten, die sich bei elektrischer Spannung verfärben.

Vision der Materialforscher sind Gebäude, die mit der Sonne interagieren. Dabei sollen Gipswände und Innenputz Temperaturschwankungen puffern. Schlüssel hier: so genannte Phasenwechselmaterialien. In der Regel sind das Kohlenwasserstoffe. Eingekapselt in organische Hüllen nehmen sie an heißen Tagen Wärme auf und geben sie nachts wieder ab. Mit Kühlleistungen von bis zu 40 W/m2 sollen sie Basis für Kühlsysteme und Wärmespeicher sein.

Wann ihre Zeit kommt, liegt nicht allein in den Händen der Forscher. „Die Baubranche ist gefordert, die Innovationen aufzugreifen. Steigende Energiepreise und politische Rahmenbedingungen können das durchaus beschleunigen“, sagt Ebert. PETER TRECHOW

Von Peter Trechow

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