Können Textilien den Klimawandel stoppen? Vermutlich nicht, aber sie können Körper und Gebäude kühlen. Wie? Das zeigen Forscher der Deutschen Faser- und Textilinstitute. Sie forschen an selbstkühlenden Textilien.Welches Prinzip dahinter steckt und welche Rolle das Institutsdach für die beschichteten Textilien spielt.
Steigende Temperaturen und Hitzeextreme führen zu erheblichen Gesundheitsrisiken. Der Kühlenergiebedarf in Städten stieg zwischen 1970 und 2010 um 23 Prozent. Konventionelle Kühlsysteme wie Klimaanlagen basieren auf thermodynamischen Kreisläufen. Diese brauchen viel Strom und geben gleichzeitig Abwärme und Kohlenstoffdioxid an die Umwelt ab. Dadurch entsteht eine Art Teufelskreis. Eine energetisch interessante Alternative bietet das Prinzip der Strahlungskühlung.
Die Strahlungskühlung ist ein allgegenwärtiger Prozess, bei dem eine dem Himmel zugewandte Oberfläche durch Wärmestrahlung Wärme verliert. Das größte Objekt, das durch Strahlungskühlung Wärme abgibt und den Energiehaushalt dadurch reguliert, ist die Erde selbst. Der Abkühlungseffekt zeigt sich unter anderem an klaren Morgen durch Reif- und Taubildungen.
Das Prinzip steckt hinter Strahlungskühlung
Technologien wie die Strahlungskühlung bieten eine nachhaltige und energiefreie Lösung. Indem sie die Wellenlängenbereiche der Atmosphäre, die für elektromagnetische Strahlung durchlässig sind, das so genannte atmosphärische Fenster (8-13 μm), nutzen, geben sie Wärmestrahlung in den kälteren (3 K) Weltraum ab.
- Die Transparenz der Atmosphäre wird durch Gase, wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasserstoff (H2O) oder Ozon (O3) beeinflusst und begrenzt, sodass die Wärmestrahlung an diesen Gasmolekülen reflektiert oder absorbiert wird.
- Im Bereich des atmosphärischen Fensters spielen diese Gase jedoch keine Rolle und die Atmosphäre ist durchlässiger, sodass die Wärme, die in diesem Bereich abgegeben wird, tatsächlich das kalte Weltall erreicht.
- Durch die Nutzung des Funktionsprinzips der Strahlungskühlung kann eine Kühlung ohne externe Energiezufuhr erzielt und gleichzeitig CO2 eingespart werden.
Der Selbstkühlungsmechanismus der Erde inspiriert dazu, Materialien zu entwickeln, die energiefrei kühlen können – und das auch am Tag.
Wie wird Material selbstkühlend?
Um eine Kühlfunktion am Tag zu erzielen, wo normalerweise die einfallende Sonnenstrahlung die Materialien erwärmt, muss das Material so entwickelt werden, dass das eintreffende Sonnenlicht fast vollständig zurück reflektiert und gleichzeitig kontinuierlich langwellige Strahlung, vorzugsweise im atmosphärischen Fenster, emittiert wird. Das kann erreicht werden, indem der Spektralverlauf des Materials angepasst und optimiert wird.
Solche ganztägig selbstkühlenden Materialien, die ein hohes Solarreflexionsvermögen und eine hohes Infrarot-Emissionsvermögen aufweisen, werden als passiv kühlende Materialien bezeichnet.
Bisherige Veröffentlichungen auf dem Gebiet der textilen Materialentwicklung im technischen Bereich wie der Gebäudekühlung konzentrieren sich auf spezifische Faserstrukturen und textile Trägermaterialien sowie komplexe Mehrschichtaufbauten. Das schränkt den Einsatz für industriell hochskalierte Außenanwendungen ein.
Forschungsansatz der DITF: Funktionstextilien
Ziel der Forschungsarbeiten an den DITF ist deshalb die Entwicklung einer neuartigen substratunabhängigen Beschichtung. Sie soll mit spektral selektiven Strahlungseigenschaften auf Basis thermooptisch aktiven Partikeln zur Erzeugung eines Selbstkühlungseffekts auf der textilen Oberfläche. Darüber hinaus soll sie einfach aufzubringen, nachhaltig und hoch skalierbar sein. Durch gezielte Analysen der Beschichtungsformulierung und die Kombination von reflektierenden Partikeln im solaren Spektrum und einem stark im mittleren Infrarot (MIR) emittierenden Matrixmaterial wird eine Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur erreicht.
Selbskühlende textile Beschichtung im Praxistest
Um die Funktionalität des Beschichtungssystems sehr praxisnah zu untersuchen, wurde auf dem Dach des Instituts eine Außenmessanlage installiert. Sie ermöglicht die Messung der Temperatur über einen 24-Stunden-Zyklus und der Kühlleistung über ein rückgekoppeltes Heizsystem. So kann die Beschichtung unter realen Wetterbedingungen getestet und die tatsächliche Kühlleistung im Vergleich zu unbeschichteten Referenzproben analysiert werden.
Das Ergebnis zeigt eine Temperatursenkung von bis zu 20 °C durch die Beschichtung im Vergleich zu einem unbeschichteten Polyestergewebe mit einem Flächengewicht von 65 g/m2. Gemessen wurde eine durchschnittliche Abkühlung von 2 °C unter die Umgebungstemperatur (zwischen 7 Uhr morgens und 19 Uhr abends) und eine Spitzensonneneinstrahlung von 1000 W/m2 zur Mittagszeit.
Auch in der Nacht ist die Selbstkühlung in Wechselwirkung mit dem kalten Weltall aktiv und ist sichtbar an einer erhöhten Taubildung an den beschichteten Oberflächen.
Neben dem Strahlungseffekt weist das Grundmaterial der Beschichtung eine hohe UV- und Witterungsstabilität sowie Wasserabweisung auf. Die Beschichtung lässt sich auf verschiedene textile Materialien auftragen und bietet daher eine flexible Anwendbarkeit für unterschiedliche Anwendungsszenarien im Außenbereich. Der Vorteil von textilen Beschichtungssystemen liegt vor allem in der einfachen Verwendung.
Für andere energiefreie Kühlmechanismen, wie natürliche Vegetation oder Ventilation, sind umfangreiche Renovierungsmaßnahmen gefordert, sodass diese Ansätze wirtschaftlich nur für Neubauten sinnvoll sind.
Gerade in dicht besiedelten oder urbanen Regionen ist eine Umgestaltung für ein energetisch nachhaltiges Gebäudedesign zur Kühlung bisher nicht flächendeckend und kostengünstig realisierbar. Hier können diese Beschichtungssysteme eine Lösung zur energiefreien und nachhaltigen Kühlung bieten.