Phase-Change-Material 20.07.2021, 08:57 Uhr

Revolution bei der Energieeffizienz: Material aus dem 3D-Drucker kühlt und heizt

Heiz- und Kühlsysteme gehören zu den größten Energiefressern. Jetzt revolutioniert ein neues Material aus dem 3D-Drucker die Energieeffizienz von Gebäuden.

Holz Dach

3D-druckbare Phasenwechselmaterialien isolieren Gebäude. Foto/Symbolbild: panthermedia.net/ronstik

Heiz- und Kühlsysteme sind heutzutage mehr denn je im Fokus der Wissenschaft. Schließlich gehören sie zu den größten Energiefressern überhaupt. An der Texas A&M Universität wurde kürzlich ein sogenanntes Phase-Change-Material entwickelt, das per 3D-Druck erzeugt wird und eine Alternative zu bisherigen Systemen darstellen könnte.

Bislang wurden für Heiz- und Kühlsysteme unterschiedliche Materialien genutzt. Um Hitze zu speichern waren andere Materialien vonnöten, als für die Kühlung. Das nun entwickelte Material wird nicht nur unkompliziert per 3D-Druck gefertigt, es kann sogar seine Struktur ändern und somit sowohl zur Kühlung als auch zum Erhalt von Wärme genutzt werden.

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Phase-Change-Material wechselt Struktur

Die Forscher an der Texas A&M haben ein Material kreiert, das sich durch seinen Namen quasi selbst beschreibt. Das Phase-Change-Material, kurz PCM, wechselt seine Struktur je nach Temperatur und bewegt sich somit in unterschiedlichen Phasen. Sobald das PCM Wärme aufnimmt, schmilzt es und kühlt somit die Umgebung. Kühlt die Umgebungstemperatur hingegen ab, so verfestigt sich das Phase-Change-Material erneut, wodurch die vormals gespeicherte Wärme an die Umwelt abgegeben wird. Oberflächlich betrachtet ist das PCM zunächst nichts Neues, da ähnliche Materialien bereits unter anderem in Kaffeebechern genutzt wurden. Bei den Forschungen und Entwicklungen an der Texas A&M stehen allerdings keine kleinen Gegenstände wie Kaffeebecher im Fokus, sondern die Fertigung von Baumaterialien, die energiesparend wirken sollen, indem sie Häuser sowohl beheizen als bei Bedarf auch abkühlen können.

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3D-Druck ist maßgeblich für die Erfolgschancen

Bei bisherigen PCMs wurde immer eine Hülle benötigt, um die flüssige Form des Materials festhalten zu können. Dies führte unweigerlich dazu, dass entsprechende Heiz- oder Kühlsysteme trotz ihrer Funktionalität sehr teuer und ineffizient waren. Selbiges galt für die ersten Versuche, PCM in Baumaterial zu nutzen. Es konnte lediglich in das Baumaterial eingebettet werden, was die gesamte Konstruktion erschwerte. Den Forschern der Texas A&M ist es nun gelungen, das Phase-Change-Material direkt in das Baumaterial einzumischen. Das PCM wird mit flüssigem Harz kombiniert, welches als Stützstruktur agiert. Unter regulären Bedingungen ist das Material noch sehr weich, wodurch es sich mühelos in Form bringen lässt. Erst wenn es mit UV-Licht bestrahlt wird, nimmt es eine harte Konsistenz an. Sobald dieser Schritt durchlaufen wurde, ist das Endergebnis dermaßen robust, dass es problemlos zum Bau von Häusern geeignet ist.

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Der tatsächliche Clou ist den Forschern durch den 3D-Druck gelungen. Da das PCM bis zur Bestrahlung mit UV-Licht weich und formbar ist, kann es ohne Weiteres in großen Mengen zu einer Art 3D-druckbaren Tinte produziert werden. Anders als bisherige Baumaterialien lässt sich das PCM auf diese Weise in jede gewünschte Form oder Größe bringen. Da nun keine Hülle für das Material erforderlich ist, sinkt das Baugewicht des Materials – verglichen mit anderen Materialien – um bis zu 63 Prozent.

Um die Daten hinsichtlich der Heiz- und Kühlfähigkeiten zu ermitteln, wurde per 3D-Druck ein Hohlhausmodell gebaut und in einen Ofen gestellt. Die Zahlen sprechen für sich, denn das Innere des Hauses war 40 Prozent kühler als die Temperatur außerhalb. Darüber hinaus nutzten die Forscher den Ofen, um die Haltbarkeit des PCMs zu überprüfen. Nach mehr als 200 Schmelz- und Erstarrungszyklen trat das Phase-Change-Material nur in geringen Maßen aus. Da dieses Ergebnis noch nicht optimal ist, wollen die Forscher weiter an dem Material arbeiten. Zeitgleich soll die Arbeit genutzt werden, um den Temperaturbereich des PCMs noch zu erweitern.

Ein Haus aus dem Drucker

Phase-Change-Material hat Potenzial Bau zu revolutionieren

Schon heute werden viele Häuser per 3D-Druck gefertigt. Das Phase-Change-Material hat zweifelsfrei das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Häuser bauen, zu optimieren. So könnten die Bauteile für Fertighäuser schon bald nicht nur aus dem 3D-Drucker kommen, sondern zeitgleich auch einen großen Beitrag zur Energieeffizienz neuer Häuser leisten. Die bisherigen Ergebnisse klingen zweifelsfrei vielversprechend, doch noch bedarf es einiger Arbeit, bis das Phase-Change-Material alltagstauglich sein wird.

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