Programmierbare Dämmstoffe

Die Klimatisierung geschlossener Arbeits-, Aufenthalts- und Lebensräume hat in den Industrieländern einen hohen gesellschaftlichen Stellenwert. Ein Mensch verbringt hier durchschnittlich mehr als 80 Prozent seiner Zeit. Ist der Raum schlecht gedämmt, kann er – in Abhängigkeit der Jahreszeit oder auch über den Tag hinweg verteilt – sehr warm oder sehr kalt werden.

Für dieses Problem stellen Dämmstoffe heute eine wichtige technologische Lösung dar. Sie gestalten Wärmedämmung effizient und halten die Kühllast oder den Heizenergiebedarf und somit auch die Kosten gering. Da weniger klimaschädliches Kohlendioxid ausgestoßen wird schonen sie zudem die Umwelt. Dämmung ist ökologisch wie ökonomisch sinnvoll, denn Dämmstoffe sparen deutlich mehr Energie ein, als für deren Herstellung eingesetzt wird. Eine zusätzliche Verbesserung der Energiebilanz ist durch den Einsatz biobasierter Rohstoffe möglich. Neue Potenziale können zukünftig mit Dämmstoffen, die über programmierbare Eigenschaftsprofile verfügen, erschlossen werden.

Programmierbare Materialien reagieren autark

Programmierbare Materialien sind form- und funktionsdynamische Materialien, Materialverbünde oder Oberflächen, deren innere Struktur so beschaffen ist, dass sich die Materialeigenschaften und das Verhalten einem Programm folgend reversibel verändern können. Dies wird erreicht, indem die Antwort eines Materials auf ein Signal wie beispielsweise eine Temperaturänderung fest in die Materialstruktur einprogrammiert ist. Das Antwortverhalten kann dann von außen getriggert werden, so dass sich programmierbare Materialien automatisch in vorbestimmter Weise an sich verändernde Bedingungen anpassen.

Auch Schaumstoffe aus Formgedächtnispolymer, z. B. Polyester-Urethan-Harnstoff, können eine solche Aktuatorfunktionalität aufzuweisen. An die Schaumstoffe angrenzende oder darin befindliche Strömungskanäle können in ihrer Dimension aufgrund der Schaltfähigkeit verändert werden. Entsprechend gut oder schlecht strömt warme oder kalte Luft durch den Schaum oder die Strömungskanäle hindurch. Bei welcher Temperatur die reversible Formänderung ausgelöst wird und in welche Richtung sie geschieht, kann durch die Systemauslegung und durch eine thermomechanische Behandlung im Vorfeld festgelegt werden.

Schäume aus Formgedächtnispolymer ändern die Form je nach Temperatur

Forscherinnen und Forscher der drei Fraunhofer-Institute IAP, ICT und IBP entwickeln auf Basis solcher Formgedächtnispolymer-Schäume Dämmstoffe mit programmierbarem Materialverhalten. »Wir entwickeln autarke Dämmstoffsysteme mit einer schaltbaren Luftdurchlässigkeit. Je nach Temperatur verändert das Dämmmaterial dabei die Form, z. B. den Durchmesser der Strömungskanäle und damit auch den Wärmedurchgang. Bei niedrigen Temperaturen sind die Strömungskanäle beispielsweise geschlossen und weisen einen Isolationseffekt auf. Beim Erwärmen öffnen sich die Kanäle und werden besser mit Luft durchströmt. Das ist vor allem für Anwendungen interessant, bei denen Außentemperaturen stark wechseln. In unserem Projekt haben wir Demonstratoren für Aktorelemente zur Hinterlüftung der Außenfassade eines Einfamilienhauses entwickelt. Dabei handelt es sich um einen thermisch schaltbaren Spalt zwischen der Außenschicht und der tragenden Konstruktion des Gebäudes«, erklärt Dr. Thorsten Pretsch, der die Arbeitsgruppe Formgedächtnispolymere am Fraunhofer IAP leitet.

Dämmstoffe für industrielle Anwendungen

Am Fraunhofer IAP werden die programmierbaren Hightech-Schäume synthetisiert und die Technologien für die Programmierung der Eigenschaftsprofile entwickelt. Bereits in der Synthese werden die Temperaturen festgelegt, bei denen später die Formänderungen erfolgen. Für die optimale Formulierung der Schäume werden einerseits die Monomere ausgewählt und die Reaktionsbedingungen angepasst und andererseits geeignete Additive oder Füllstoffe hinzugegeben, etwa um die Schaumstruktur zu beeinflussen. Auch der Einsatz biobasierter Rohstoffe wird betrachtet.

Um auch große Mengen an Dämmmaterial für industrielle Anwendungen herstellen zu können, werden am Fraunhofer ICT Verfahren für die Skalierung der Polymersynthese gezielt weiterentwickelt. Zudem werden die Proben einer zerstörungsfreien Prüfung mittels Mikro-Computertomographie unterzogen.

Am Fraunhofer IBP wird der Wärmedurchgang praxisnah bewertet. Die mechanischen Eigenschaften werden charakterisiert und Simulationen für konkrete Anwendungen durchgeführt. »Unsere Simulationen einer hinterlüfteten Fassade eines Mehrfamilienhauses in Madrid zeigen, dass mit den schaltbaren Dämmstoffen in den Sommermonaten die operative Raumtemperatur um 2,5 °C reduziert bzw. bis zu 46 Prozent an Energie für die Kühlung eingespart werden könnte«, erklärt Prof. Dr. Martin Krus vom Fraunhofer IBP.

Das Projekt zur Entwicklung programmierbarer Dämmstoffe wurde am 1. Januar 2018 mit der Geburtsstunde des Fraunhofer Clusters of Excellence Programmable Materials gestartet und läuft seitdem. Dabei suchen die Forscherinnen und Forscher auch nach neuen Anwendungen für die einzigartigen Funktionalitäten der Schaumstoffe aus Formgedächtnispolymer.

Foto: Die synthetisierten Formgedächtnispolymere werden auf speziellen Reaktivschäumanlagen verarbeitet. (c) Fraunhofer IAP