Das Fenster, das sich selbst abdunkelt 17.09.2017, 07:50 Uhr

Forscher aus Stanford hauchen dem Fenster Intelligenz ein

Warum brauchen wir eigentlich noch Rollos und Fensterläden, wenn ein Fenster all das selbst machen kann? Ein Forscherteam aus den USA hat ein solches Smart Window entwickelt, das neben psychologischen auch handfeste wirtschaftliche Vorteile bietet. 

Ingenieure der Stanford University haben ein intelligentes Fenster entwickelt, das je nach Lichtverhältnissen selbständig abdunkelt - in kürzester Zeit.

Ingenieure der Stanford University haben ein intelligentes Fenster entwickelt, das je nach Lichtverhältnissen selbständig abdunkelt - in kürzester Zeit.

Foto: Dan Slotcavage

Wer kennt es nicht: Draußen malt die Mittagssonne eine hochsommerliche Kulisse und man selbst versteckt sich hinter blickdichten Rollos, um im künstlichen Neonlicht am Bildschirm arbeiten zu können. Es ist deprimierend.

Doch nun haben Ingenieure der Stanford Universität sich des Problems angenommen. Sie haben eine Technologie entwickelt, die diesem Trauerspiel ein Ende setzen könnte. Ihre Smart Windows passen sich dynamisch an das Umgebungslicht an und machen Rollläden überflüssig.

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Was das intelligente Fenster kann

Bei den „Smart Windows“ handelt es sich um herkömmliche Fenster aus Glas, die sich unter gewissen Voraussetzungen selbstständig verdunkeln können. Das Spektrum des Glases reicht dabei vom durchsichtigen Fensterglas bis zu einer Verschattung, die an eine getönte Sonnenbrille erinnert.

Ganz neu ist die Technologie mit den Transparenz wechselnden Glasscheiben nicht, doch bisherige Modelle haben einige entscheidende Nachteile. Sie sind sehr langsam und damit nur wenig flexibel. Der Clou an der kalifornischen Neuentwicklung: Das Wechseln der Transparenz und Lichtdurchlässigkeit dauert weniger als eine Minute. Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse ihrer Studie erstmals im Forschungsmagazin Joule.

Wie die Kalifornier Fensterglas revolutionieren möchten

Der zweite Clou des smarten Windows im Vergleich zu seinen bisherigen Vorgängern: die verbauten Scheiben kosten ein Bruchteil der hoch technologisierten Konkurrenten. Stanford ging bei der Konstruktion einen anderen Weg als vorherige Entwickler und benutzte für die intelligenten Fenster einfach gewöhnliches Fensterglas.

Dieses fassten sie in einen als Elektrode dienenden Kupferfilm, der über einer transparenten, aber elektrisch leitfähigen Schicht aus Indiumzinnoxid mit Platinpartikeln liegt. Bekommt das Fenster das richtige Signal, so beginnt die Kupferlösung, sich über die Indiumoxidschicht zu schieben und das auftreffende Licht wird blockiert. Die Verdunklung tritt durch eine Auskristallisierung der gelartigen Lösung ein, die durch Spannung erzeugt wird. Eine einfache Spannungsumkehr, dreht auch den gesamten Prozess wieder um.

Das ist im Vergleich zu den derzeit auf dem Markt erhältlichen Lösungen aus mehreren Gründen ein Fortschritt. Zum einen ist da der Preisfaktor, denn aktuelle dynamische Fensterlösungen setzen zumeist auf Wolframoxid, das ebenfalls die Farbe bei elektrischer Leitung verändern kann. Das Verfahren für gaschrome Fenster wird schon lange angewandt, wir haben es bereits 2003 vorgestellt. Doch Wolframoxid ist bis heute nicht nur teuer, sondern weist auch im neutralen Zustand eine bläuliche Färbung auf. Zudem kann ein einzelner Dimmvorgang bis zu 20 Minuten dauern. Ist das Fenster aus Wolframoxid über einen längeren Zeitraum im Einsatz, so wird die Scheibe im getönten Zustand immer durchlässiger. Die Wirkung lässt nach.

Vorteile der dynamischen Fenster aus Stanford

Vor allem in ihrem Spektrum beeindrucken die Fenster aus Stanford. Im transparenten Zustand lassen die Fenster rund 80% der Umgebungshelligkeit passieren. Zum Vergleich: Das heute im Fensterbau eingesetzte Floatglas besitzt eine Lichtdurchlässigkeit von 90%, bei einer doppelten Verglasung aus Isolierglas sind es ebenfalls 80%. Das Smart Window aus Stanford ist auf den ersten Blick also kaum von Fensterglas zu unterscheiden.

Im getönten Zustand liegt die Lichtdurchlässigkeit lediglich bei unter 5%, was nicht nur dazu dienen kann, Sonnenlicht effizient auszuschließen, sondern auch eine Privatsphäre von Innenräumen nach draußen garantiert.

Für den Wechsel von der maximalen Transparenz bis hin zur maximalen Tönung benötigt das Glas weniger als 30 Sekunden. Ebenso schnell lässt sich die Tönung wieder rückgängig machen und die Sicht auf die Umgebung freigeben. Während einer Langzeituntersuchung, in der die Wissenschaftler das dynamische Fenster 5000 Mal ein- und wieder ausschalteten, konnte keine Abnahme in der Tönung gemessen werden.

Praktische Anwendungsmöglichkeiten der Smart Windows

Die dynamische Fenstertechnologie aus Stanford soll für ganz unterschiedliche Anwendungsszenarien eingesetzt werden, immerhin ist die Technik kostengünstig und effizient. Damit könnte sie etwa im Smart Home mehr sein als nur eine nette, ästhetische Ergänzung. Das dynamische Fenster erlaubt es etwa, zu starke Sonneneinstrahlung im Sommer auszuschließen und verhindert so ein unerwünschtes Aufwärmen von Wohnung oder Haus, was wiederum Kühlkosten erspart. Die Wissenschaftler in Stanford sprechen von einer Ersparnis von bis zu 20%.

Auch eine Verwendung als Fahrzeugscheibe ist denkbar, im Automobil könnte das in Stanford entwickelte Glas etwa als dynamischer Blendschutz arbeiten und die Sichtverhältnisse auf die Fahrbahn auch bei starkem Gegenlicht regulieren. Selbst ein Einsatz in sich selbst tönenden Sonnenbrillen ist denkbar.

Dass die Technologie bald weite Verbreitung finden könnte, ist nicht zuletzt dem günstigen Preis zu verdanken. Denn pro Quadratmeter belaufen sich die Kosten hochgerechnet auf gerade einmal zwei Euro.
Allerdings befindet sich die Technologie derzeit noch in einer sehr frühen Phase und die dynamischen Fenster sind noch nicht auf großer Fläche getestet worden. An eine Serienanfertigung ist derzeit also noch nicht zu denken, auch wenn der Prototyp durch seine hohe Funktionalität durchaus Begehrlichkeiten weckt.
Sollten Langlebigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit sich auch im praktischen Einsatz und bei einer Serienproduktion bewähren, dann könnten die Scheiben der Zukunft auf Knopfdruck oder via Sensorik reagieren. Im Auto, in der Sonnenbrille oder im Smart Home.

Doch die Konkurrenz schläft nicht. Auch MIT-Wissenschaftler haben im vergangenen Jahr eine Scheibe vorgestellt, die aufgrund einer elektrochemischen Reaktion auf Knopfdruck undurchsichtig wird. Sie sollte vor allem in Flugzeugen zur Anwendung kommen, aber auch in Displays oder Gebäuden.

 

Ein Beitrag von:

  • ingenieur.de

    Technik, Karriere, News, das sind die drei Dinge, die Ingenieure brauchen.

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