Ein neu entwickeltes Material lässt deutlich mehr Licht durch als herkömmliches Glas und isoliert zugleich fast so effektiv wie eine massive Wand. Wird es auf Fensterscheiben aufgebracht, könnte es den Wärmeaustausch erheblich verringern und damit den Energiebedarf von Gebäuden senken. Das wäre besonders relevant, da das Heizen und Kühlen von Häusern weltweit rund 40 Prozent des gesamten Energieverbrauchs verursacht. Darauf weist ein US-amerikanischs Forschungsteam um Amit Bhardwaj von der University of Colorado in Boulder in der Fachzeitschrift "Science" hin.
Obwohl Fenster im Durchschnitt nur etwa acht Prozent der Gebäudehülle ausmachen, sind sie für rund die Hälfte der Wärmeübertragung verantwortlich, schreiben die Wissenschaftler. Moderne zwei- oder dreifach verglaste Fenster konnten diesen Effekt bereits reduzieren. Auch Aerogelfilme auf Zellulosebasis gelten als vielversprechende Dämmstoffe. Allerdings nimmt ihre Transparenz deutlich ab, sobald sie dicker als wenige Millimeter werden. Der Grund dafür liegt in der Struktur der Materialien: Bei der Herstellung lassen sich die Porengrößen bislang nur schwer präzise steuern. Sie reichen von wenigen Nanometern (Millionstel Millimetern) bis zu mehreren Mikrometern (Tausendstel Millimetern).
Die Forschenden um Amit Bhardwaj suchten deshalb nach einem Herstellungsverfahren, mit dem sich die Poren gezielt in einem Bereich zwischen zwei und 50 Nanometern erzeugen lassen. Solche winzigen Hohlräume sind kleiner als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, wodurch dieses nahezu ungehindert hindurchtreten kann und kaum reflektiert oder absorbiert wird. Gleichzeitig erschwert die geringe Porengröße den Transport von Wärmeenergie zwischen Molekülen. Zusätzlich bestehen die Porenwände aus Silikon, das Wärme ohnehin nur schlecht leitet.
Mochi-Material: sehr leicht und enorm transparent
Um die Struktur des Materials zu kontrollieren, nutzen die Forschenden Tenside – also Substanzen, wie sie auch in Waschmitteln vorkommen. In einer Lösung ordnen sich diese Moleküle selbst zu zylinderförmigen Strukturen an, die als Vorlage für die späteren Silikonröhrchen dienen. Während eines anschließenden Trocknungsprozesses werden Tenside und Lösungsmittel entfernt und durch Luft ersetzt. Das Ergebnis ist ein extrem leichtes Material, das die Forschenden "Mochi" nennen – kurz für "Mesoporous Optically Clear Heat Insulator", also mesoporöser, optisch klarer Wärmedämmstoff.
Das Material kombiniert hohe Transparenz mit hervorragenden Dämmeigenschaften. Mehr als 99 Prozent des Lichts können es passieren – deutlich mehr als bei gewöhnlichem Glas, das weniger als 92 Prozent erreicht. Gleichzeitig ist seine Wärmeleitfähigkeit sehr gering: Sie liegt bei etwa 10 Milliwatt pro Meter und Kelvin. Zum Vergleich: Ruhende Luft, wie sie etwa in Daunenjacken oder zwischen den Scheiben von Doppelglasfenstern eingeschlossen ist, leitet mit rund 27 Milliwatt mehr als doppelt so viel Wärme.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Wegen des Trocknungsprozesses sind Mochi-Folien derzeit noch auf eine Fläche von einem Quadratmeter beschränkt. Aber die guten optischen Eigenschaften des Materials lassen auch dickere und größere Mochi-Elemente zu. Nach Auffassung der Forscher könnte Mochi die Einsatzmöglichkeiten von Isolierglas in künftigen Gebäudehüllen erweitern, etwa für Fenster, Oberlichter und Tageslichtsysteme. "Weitere Anwendungsgebiete sind Gewächshausabdeckungen, Schutz- und Wärmedämmkleidung sowie die Weltraumforschung, überall dort, wo gleichzeitig optische Transparenz und Wärmedämmung erforderlich sind", schreiben die Studienautoren.
In einem "Science"-Kommentar bestätigen Longnan Li und Wei Li von der Chinese Academy of Sciences in Changchun: "Das von Bhardwaj et al. vorgestellte Konzept stellt einen Übergang von herkömmlichen Aerogelen mit ungeordneten Porenstrukturen zu Metamaterialien dar, die mit geordneten Nanostrukturen ausgestattet sind und die thermischen und optischen Eigenschaften im Makrobereich gleichzeitig steuern." Aus energetischer und ökonomischer Sicht sei das Potenzial des Silikon-Metamaterials erheblich. So könnten optisch transparente Flächen bis hin zu Textilien in energieeffiziente Oberflächen verwandelt und der Energiebedarf deutlich gesenkt werden.
