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"Smart Windows" - schaltbare Fensterscheiben mit Energiespar-Effekt

(14.12.2010) Gebäudeverglasungen oder Fenster, die ihre Lichtdurchlässigkeit und Farbe je nach Sonneneinstrahlung verändern: Damit ließe sich Energie sparen. Im Sommer würden solche Scheiben die Wärmestrahlung von draußen besser abhalten, so dass zum Beispiel in Bürogebäuden weniger Klimatisierung nötig wäre. Und im Winter könnten sie den Wärmeverlust aus geheizten Räumen deutlich verringern. An der Realisierung solcher Fenster wirken Forscher der Uni Würzburg mit.

"Smart Windows" mit elektrisch schaltbarer Tönung

Verglasungen, die ihre Farbe ändern, sind industriell bereits herstellbar. Mit neuartigen Materialien - Metallo-Polyelektrolyten - wollen Wissenschaftler die Technik aber vereinfachen, besser machen und die Fertigungskosten erheblich senken. Ihr Ziel heißt "Smart Windows", neue Fenstertypen mit einer farbigen Tönung, die sich elektrisch schalten lassen. Das Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung und Professor Kurth haben hierzu ein Verbundprojekt initiiert, das vom Bundesforschungsministerium mit 1,1 Millionen Euro gefördert wird.

Die Herstellung der "Smart Windows" ist relativ einfach: Es genügen zwei Glasscheiben, bei denen die einander zugewandten Seiten mit einer dünnen, transparenten Elektrode bedeckt sind. Darauf wird eine hauchfeine Schicht aus Metallo-Polyelektrolyten (MEPE) aufgebracht. Das geht verhältnismäßig simpel durch Eintauchen in eine wässrige MEPE-Lösung. Die Scheiben werden dann aufeinandergelegt und die dazwischen befindliche, störende Luftschicht durch das Einfüllen eines sirupartigen, neutralen Materials verdrängt. Zum Schluss wird das System abgedichtet.

Metall-Ionen sorgen für den Farbwechsel

Wodurch zeichnen sich die Metallo-Polyelektrolyte aus, die solche neuartigen Fenster ermöglichen sollen? Es handelt sich um lange Molekülketten, in denen einzelne organische Bausteine, so genannte Terpyridine, durch Metall-Ionen miteinander verknüpft sind. Die Metall-Ionen sind für die Farbe des Materials verantwortlich und lassen sich elektrisch schalten. Wenn sie Elektronen aufnehmen oder abgeben, entsteht oder verblasst die Farbe; die Änderungen sind umkehrbar.

Geben zum Beispiel zweiwertige Eisen-Ionen Elektronen ab, wird Blau zu Farblos. Andere Metall-Ionen sorgen für andere Farben: Mit Cobalt ergibt sich ein rötlicher, mit Nickel ein orangefarbener Ton. Farbe und Transparenz der Fenster lassen sich verändern, indem man die Metallo-Polyelektrolyte über die Elektrode mit niedrigen Spannungen von 1 bis 1,5 Volt schaltet. Einfache Batterien genügen dafür. Dank der speziellen Eigenschaften der MEPE kann die Grundfarbe der Verglasung variiert werden.

Es ist auch möglich, in einem Fenster verschiedene Metall-Ionen einzusetzen und so mehrere Farben durchzuschalten. "Mal rot, mal blau - das wäre zum Beispiel für Firmen interessant, die auf den Glasflächen ihres Gebäudes Werbebotschaften transportieren wollen", sagt Kurth.

Synthese der MEPE an der Universität

Die Arbeitsgruppe des Professors synthetisiert die Metallo- Polyelektrolyte, die Kooperationspartner analysieren sie: Welche Kombinationen mit welchen Metall-Ionen eignen sich am besten? Wie erfolgt im Fenster der Elektronentransfer von der Elektrode in die metallorganische Schicht? Was genau passiert in den MEPES, wenn sie elektrisch geschaltet werden?

Solche grundlegenden Untersuchungen seien nötig, um das System der "Smart Windows" genau zu verstehen. Nur dann ließen sich ihnen optimale Tönungseigenschaften, eine lange Lebensdauer, kurze Schaltzeiten und andere Eigenschaften verleihen. Ziel der Wissenschaftler: Nach zwei Jahren wollen sie ein Demonstrations-Fenster realisiert haben, an dem zum Beispiel Interessenten aus der Industrie die Vorzüge der Technik sehen können.

Spannend auch für Studierende

An der Entwicklung der neuartigen Fenster können auch Studierende mitwirken, indem sie zum Beispiel ihre Bachelor- oder Masterarbeiten über das Thema schreiben. Diese Möglichkeit bietet sich in den Studiengängen Technologie der Funktionswerkstoffe (TecFun) und Chemie.

Die Kooperationspartner im Verbundprojekt "SmartWin-MEPE" sind: