Oberflächengebundene Polymerschichten für nachhaltige Materialien: Von der Materialentwicklung über die additive Fertigung bis hin zur nachhaltigen Anwendung

Stipendiatin/Stipendiat: Carmen Eger

Ein bedeutsamer Anteil des globalen Energiekonsums kann dem Beheizen und Kühlen von Bauwerken wie zum Beispiel Gewerbeflächen, Fabrik- oder Messehallen zugeschrieben werden. Heutzutage wird zumeist versucht dieses Problem in automatisierter Weise durch Verschattungen zu lösen, indem eine Vielzahl von Motoren diese Verschattungen auf- und zufahren. Hohe Kosten für den Betrieb, Wartungen in regelmäßigen Abständen, hoher Energiekonsum und eine oft zu kurze Lebensdauer sind jedoch Folgen dieses hohen Levels an technischer Komplexität. Dieses Projekt befasst sich mit der Lösung dieses Problems mit einem vollständig anderen Ansatz.

Während die bisher verwendeten Verschattungssysteme die Schwachstelle Fenster abdecken beschäftigt sich dieses Projekt ausschließlich mit der Fassade des Gebäudes. Die Fassade eines Gebäudes hat eine einfache Funktion, das Schützen von Bausubstanz vor der Witterung. Außerdem bietet sie die Möglichkeit einer kreativen Gestaltung der Fassade durch den Endverbraucher.

Eine Bewegung, die gewissermaßen automatisch durch die Veränderungen der Umgebungsbedingungen hervorgerufen wird, kann in der Pflanzenwelt bei hygroskopisch angeregten Pflanzenbewegungen beobachtet werden. Als biologisches Vorbild dient der Konifere Zapfen. Bei hoher Feuchtigkeit schützt er seine Samen in dem er sich schließt, während er sich bei niedriger Feuchtigkeit öffnet. Durch diesen Mechanismus gewährleisten die Koniferen Zapfen, dass die Samen bei geeigneten klimatischen Bedingungen durch den Wind verteilt werden können. Die Schuppen bestehen aus mehreren Lagen, welche unterschiedlich stark quellen und so die Bewegung hervorrufen.

Der Fokus des Projekts liegt auf der Materialentwicklung eines mehrlagigen Systems aus Polymeren, welche durch Quellen und Entquellen eine Bewegung von speziell geformten Blenden ausführen soll.

Die Entwicklung eines solchen Systems ist abhängig von verschiedenen Parametern, welche zuvor physikalisch bestimmt wurden. Das Flächenträgheitsmoment ist ein rein geometrisch abhängiger Parameter. Das Biegemoment, die Biegesteifigkeit basieren jedoch sowohl auf die geometrische Form als auch auf die Eigenschaften des Materials. Außerdem gibt es mehrere physikalische Näherungen, um die Bewegung des Systems hervorzusagen, z.B. mit der Timoshenko Formel.1 Damit die Übersetzung eines biologischen Vorbilds in ein technisches System gelingt wurden die physikalischen Bedingungen unter denen das biologische Vorbild funktioniert, genau bestimmt. Dafür wurde der Konifere Zapfen genau untersucht und vermessen. Hierbei ist besonders interessant, wie sich das Elastizitätsmodul der verschiedenen Schichten bei der Quellung verändern. Der Quellfaktor und die Wasseraufnahme gehören außerdem zu den Parametern, die die Quellung beeinflussen. Das Verhältnis der Schichtdicken sowie die Orientierung der Fasern enthalten wichtige Informationen für das technische System. All diese Parameter bilden den Rahmen, in dem sich das Pendant bewegen soll und grenzt so auch die Materialauswahl ein.

Die unterschiedliche Art der Delamination birgt Spielraum für die Optimierung und somit erfolgreichen Verbinden der Lagen. Verschiedenste Materialien und -kombinationen werden unter Angesicht der oben genannten Parameter bestimmt und getestet.

Die Umsetzung des Projekts zu einer sogenannten „smart building skin“ kann laut ESCORP-EU25 Studie von der European Solar Shading Organization zu der Reduktion von bis zu 90% der benötigten zusätzlichen Heizung eines Gebäudes führen und somit den CO2 Ausstoß pro Gebäude um bis zu 80t im Jahr reduzieren. Wenn dieses System großflächig an Gebäuden überall auf der Welt zu finden wäre, würde dies einen gewaltigen Fortschritt in umweltfreundlicher Architektur und in der Energienutzung bedeuten.

Referenzen

(1) Reyssat, E.; Mahadevan, L. Hygromorphs: from pine cones to biomimetic bilayers. Journal of the Royal Society, Interface 2009, 6, 951–957, DOI: 10.1098/rsif.2009.0184 .

Förderzeitraum:
01.07.2018 - 30.06.2021

Institut:
Universität Freiburg
Institut für Mikrosystemtechnik
Arbeitsgruppe Chemie und Physik von Grenzflächen (CPI)

Betreuer:
Prof. Dr. Jürgen Rühe

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