Strom, Wärme und Kälte vom selben Dach? Dieses KIT-Modul zapft den Weltraum an
Solarzellen, Solarthermie und Klimaanlage konkurrieren oft um dieselben Flächen. Ein KIT-Team packt alle drei Funktionen auf eine einzige und nutzt dafür auch die Kälte des Weltraums. Ein Prototyp hat den Freilandtest bestanden.
Dieser KIT-Prototyp lieferte im Freilandtest Strom, bis zu 110,8 °C Wärme und Kühlung unter Umgebungstemperatur.
Foto: Gan Huang, KIT
Der Sommer 2026 hat Deutschland eine Hitzewelle nach der anderen beschert. Anfang August meldete der Deutsche Wetterdienst 39,4 °C in Regensburg, im Juni und Juli hielten sich die Temperaturen teils tagelang über der 30-Grad-Marke. Klimaanlagen laufen auf Hochtouren, verbrauchen dabei viel Strom und blasen ihre Abwärme in die ohnehin aufgeheizten Straßen.
Eine Arbeitsgruppe am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat nun einen neuen Ansatz vorgestellt. Ihr System soll laut Meldung vom 14. August kühlen, ohne Strom zu verbrauchen, und dabei selbst Strom und Wärme liefern. Einen Prototyp hat das Team vom Institut für Mikrostrukturtechnik bereits im Freiland getestet, die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science erschienen. Wie funktioniert das Multitalent, und welche kommerziellen Chancen könnte es haben?
Inhaltsverzeichnis
Kühlen ohne Strom
Der Kühlteil des Systems kommt ohne Kompressor und Kältemittel aus. Er nutzt einen Effekt namens passive Strahlungskühlung, englisch Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC). PDRC beruht auf dem physikalischen Prinzip, dass jeder warme Körper seine Wärme als Infrarotstrahlung abgibt.
In einem bestimmten Wellenlängenbereich, dem sogenannten atmosphärischen Fenster zwischen etwa 8 und 13 Mikrometern, lässt die Erdatmosphäre diese Wärmestrahlung nahezu ungehindert nach außen passieren. Sie verschwindet dann quasi im Weltall. Materialien, die gezielt in diesem Fenster abstrahlen, kühlen sich dadurch selbst bei Sonnenschein unter die Umgebungstemperatur ab. An solchen Oberflächen arbeiten Forschungsgruppen weltweit.
Im KIT-System übernimmt eine Platte aus Siliziumdioxid den Kühlpart, die mit dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Im Freilandversuch erreichte der Prototyp damit laut KIT eine Kühlung von bis zu 6,5 °C unter der Umgebungstemperatur.
Wie „Feuer“ und „Eis“ zusammenkommen
Unter der Kühlschicht arbeitet ein Solarkollektor. „Wir bringen ‚Feuer‘ und ‚Eis‘ zusammen“, verbildlicht Huang, der die Forschungsgruppe Hybrid Solar Technologies Lab am KIT leitet. Das Problem: Der Kollektor soll möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen und wird dabei heiß. Die Kühlschicht muss möglichst kühl bleiben. Lägen beide großflächig aufeinander, würde der heiße Kollektor die Kühlschicht aufheizen und ihren Effekt zunichtemachen.
„Wir haben dieses Problem gelöst, indem das Sonnenlicht zunächst die transparente Kühlschicht durchdringt und erst darunter eine Fresnel-Linse das Licht auf einen deutlich kleineren Solarkollektor bündelt. So bleiben der heiße Solarkollektor und die kühlende Schicht räumlich voneinander getrennt“, erklärt Iván Alberto Cruz García, Doktorand am Institut für Mikrostrukturtechnik und Erstautor der Studie.
Die Kühlschicht strahlt also großflächig und ungestört ins All, während das gebündelte Licht auf einem kleinen photovoltaisch-thermischen Kollektor Strom und Wärme erzeugt. Fresnel-Linsen sind flache Linsen mit ringförmigen Rillen, bekannt aus Leuchttürmen und Overheadprojektoren. Sie bündeln Licht bei geringem Materialeinsatz und wurden daher bereits vom Fraunhofer ISE zur Wasserstoffherstellung genutzt.
Was der Prototyp geleistet hat
Die Freilandversuche liefen laut KIT erfolgreich, alle drei Funktionen arbeiteten gleichzeitig:
- Kühlung: bis zu 6,5 °C unter Umgebungstemperatur
- Strom: 60,6 W elektrische Leistung pro Quadratmeter
- Wärme: Temperaturen bis 110,8 °C für die Wärmenutzung
Zur Einordnung: Handelsübliche Solarmodule erreichen unter Volllast rund die dreifache Stromausbeute, also etwa 200 W/m². Dass das KIT-Modul weniger leistet, ist zum Teil beabsichtigt. Die Fresnel-Linse bündelt das Licht auf einen bewusst klein gehaltenen Kollektor, damit möglichst viel Fläche für die Kühlschicht frei bleibt.
Das System ist also eher auf Multifunktionalität als auf elektrische Spitzenleistung ausgelegt. Dafür liefert es ein Temperaturniveau von über 110 °C. Herkömmliche Photovoltaik-Thermie-Kollektoren, die durch die Zelltemperatur der PV-Module begrenzt sind, erreichen dies meist nicht.
Potenzial für Gebäude und Rechenzentren
Der Prototyp fällt nicht vom Himmel. 2024 hatte dasselbe Team ein transparentes Material vorgestellt, das Gebäude passiv kühlt und Tageslicht durchlässt. Mit der nun hinzugekommenen Solarkomponente ist daraus nach Huangs Worten „ein multifunktionales Energiesystem“ geworden. Als Nächstes will die Gruppe die Führung des Sonnenlichts, das Wärmemanagement und die Solarzellen optimieren.
Als möglichen Einsatzort nennt Huang Dächer und Fassaden, die zu aktiven Energieflächen werden. Das Konzept könnte nach seiner Einschätzung auch für KI-Rechenzentren interessant sein, die gleichzeitig viel Strom und Kühlung benötigen. Die UN schätzt, dass Rechenzentren weltweit bis 2030 rund 945 TWh Strom verbrauchen werden.
Huang selbst formuliert den Anspruch grundsätzlicher: „Die Sonne ist nicht die einzige Energiequelle am Himmel. Auch die Kälte des Weltraums ist eine erneuerbare Ressource.“ Wer beide gemeinsam nutzen lerne, könne eine neue Generation von Energiesystemen erschließen.
Quellen
- KIT (englische Pressemitteilung): Hybrid Energy System: One Roof for Electricity, Heating and Cooling
- Originalstudie: Cruz García, Lehmann, Fan, Huang: Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity and heating, Cell Reports Physical Science, 2026
- photovoltaik.sh: Hybrides Strahlungskühlungs- und Solarsystem am KIT: Tri-Generation von Strom, Wärme und Kälte (Bestätigung Kennzahlen)
- tga-praxis.de: Hybrides Energiesystem: Ein Dach für Strom, Wärme und Kühlung (Bestätigung Kennzahlen)
- Wikipedia: Photovoltaisch-thermischer Sonnenkollektor (Beleg Temperaturgrenze gewöhnlicher PVT-Kollektoren, meist unter 100 °C)
- WetterKontor (Datenquelle: Deutscher Wetterdienst): Wetterrückblick Regensburg (Beleg 39,4 °C am 4.8.2026)
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