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Der Super-Wolkenkratzer „One World Trade Center“ in New York spiegelt sich in einem benachbarten Gebäude: In den USA entfallen 18 Prozent aller Energieausgaben auf die Beheizung und Klimatisierung von Gebäuden. Foto: Getty Images

Smarte Technologie

Fenster, die Strom erzeugen

Redwood City, Kalifornien: Zum Jahresende versammeln sich die Mitarbeiter von Ubiquitous Energy in einem von Fenstern gesäumten Konferenzraum, um einen Blick in die Zukunft zu werfen. Die neue Glasfront bietet mehr als nur eine atemberaubende Aussicht auf die kargen Bergketten und den blauen Himmel der nordkalifornischen Landschaft: Die Glasscheiben funktionieren wie Solarzellen und liefern den Strom für die Beleuchtung, die Computer und die Klimaanlage des Unternehmens.

Mehrjährige Entwicklungsarbeit steckt in dem Strom erzeugenden Glas von Ubiquitous; eine echte technologische Meisterleistung. Organische Polymere zwischen den Glasschichten lassen das gesamte Licht durch, andere absorbieren nicht sichtbare Infrarot- und UV-Photonen. Wenn Licht durch die Fenster fällt, entsteht durch das Fließen der Elektronen zwischen den Polymerschichten elektrischer Strom, der durch mikroskopisch feine Drähte im Glas weitergeleitet wird.

„Man kann es sich wie ein transparentes Computer-Display vorstellen, nur anders herum“, erklärt Veeral Hardev, Director of Business Development bei Ubiquitous Energy. Die Elektrizität wird nicht zu verschiedenen Punkten geleitet, um ein Display zu erleuchten, sondern das Licht erzeugt Strom, der von vielen Punkten des Fensters eingesammelt wird. Die Technologie ist derzeit soweit fortgeschritten, dass die Fenster, die halb so transparent wie normales Glas sind, etwa ein Drittel so viel Elektrizität wie handelsübliche Solarmodule produzieren.

Die technischen Daten reichen bereits aus, um die Fenster zu einem konkurrenzfähigen Produkt zu machen, so Hardev, der davon ausgeht, dass das Unternehmen die Transparenz noch erheblich verbessern wird. Auch wenn Fenster weniger Energie produzieren als beispielsweise auf einem Dach installierte Solarmodule, können sie jedoch eine viel größere Oberfläche abdecken als ein Dach. „Man kann auch beides machen“, sagt Harvey. „Aber von den Fenstern hat man mehr.“

Durchsichtiger als Glas

Die Revolution der Fenster ist lange überfällig. Seit die weltweit rasant wachsenden Metropolen Hochhäuser wiederentdecken, sind die glänzenden Türme in jeder Stadt fester Bestandteil der Skyline. Das Glas, mit dem die Wolkenkratzer verkleidet sind, hat sich indessen kaum weiterentwickelt. So stellt die Temperaturkontrolle ein großes Problem dar. In den USA entfallen 18 Prozent der Energieausgaben auf die Beheizung und Klimatisierung von Gebäuden. Nach Angaben des Lawrence Berkeley National Laboratory wird unter diesen Voraussetzungen über die Hälfte des für Energie aufzuwendenden Geldes regelrecht zum Fenster hinausgeworfen – wenn es draußen kalt ist oder wenn im Sommer die Sonne in die klimatisierten Gebäude scheint.

Um sowohl die Isolierung als auch die Wärmereflexion zu verbessern, ohne dabei die Sicht einzuschränken, hat das Unternehmen Mackinac Technology in Michigan eine dünne Scheibe aus mehreren Lagen beschichteten Kunststoffs entwickelt, die über das normale Fensterglas gelegt wird. Zwischen den Kunststoffschichten befindet sich Luft, wodurch die Isolation verstärkt wird. Die Beschichtung reflektiert Infrarotstrahlen – sie liefern die meiste Wärmeenergie – lässt das Licht aber durch.

CEO John Slagter findet, dass das Fenster von Mackinac mindestens genauso klar ist wie Glas. Das Geheimnis liegt in der unsichtbaren Beschichtung, die dafür sorgt, dass die Kunststoffoberfläche weniger Licht reflektiert als Glas. Dies wiederum erhöht den Anteil des Lichts, der durch das Fenster dringt, sodass es klarer wird. Eine solche am Rahmen des vorhandenen Fensters befestigte Scheibe kann das Isoliervermögen jeder Einfach- oder Doppeltverglasung vervierfachen, ist jedoch immer noch leicht genug, um das Gewicht des Fensters nicht maßgeblich zu erhöhen. Das Material wurde bereits erfolgreich an Fenstern der Calvin University in Grand Rapids (Michigan) getestet, so Slagter. Größere Pilotprojekte sind noch geplant, bevor das Produkt unter anderem dank der Förderung durch US-Regierungsbehörden ab 2022 in der Breite verfügbar sein soll.

Per Schalter verdunkeln

Bisweilen ist große Klarheit eher ein Problem als eine Lösung – nämlich immer dann, wenn die nach Süden gerichteten Fenster eines Gebäudes so viel Sonne durchlassen, dass sie blendet. „Helles Sonnenlicht kann zwar einen Raum zusätzlich beheizen, aber die Menschen arbeiten nicht gern in der prallen Sonne und können vielleicht auf dem Computermonitor nichts mehr erkennen“, gibt Michael McGehee, Materialforscher an der University of Colorado in Boulder, zu bedenken. „Meist schließen sie dann die Jalousien. Dann sitzen sie im Dunkeln und haben nichts von der Aussicht und den Vorteilen des Sonnenlichts.“ Um das Sonnenlicht zu erhalten, aber das Blenden zu eliminieren, arbeitet McGehees Gruppe an der Optimierung „elektrochromer“ Fenster. Sie wollen ein Fenster entwickeln, das sich über einen Schalter verdunkeln lässt, um das störende Blendlicht herauszufiltern und genau so viel Sonnenlicht durchzulassen, dass man sich wohl fühlt. Zu diesem Zweck erhalten McGehees Fenster eine Schicht aus einer mit Platin versetzten Indium-Zinnoxid-Schicht und eine weitere aus Nickeloxid, zwischen denen sich eine Lithium-Lösung befindet. Wenn eine geringe Spannung zwischen den zwei Schichten fließt, fungieren sie als Elektroden und produzieren ein elektrisches Feld, das die Lithium-Ionen veranlasst, sich durch die Lösung zu bewegen und sich an die Nickeloxid-Schicht zu heften.

Während das Lithium in der Lösung zunächst transparent ist, wird es durch die Verbindung mit dem Nickeloxid halbmatt. „Sie brauchen lediglich eine 10 Nanometer dicke Schicht Lithium auf der Elektrode, um das meiste Licht zu blockieren“, so McGehee. Das Ergebnis ist ein Fenster, das wie eine „Sonnenbrille für Gebäude“ funktioniert, wie er es ausdrückt. Durch die Veränderung der Voltzahl lässt sich ein bestimmter Grad der Verdunkelung einstellen. Wenn diese Fenster am Markt Erfolg haben, könnten sie in ein bis zwei Jahrzehnten zu einem wichtigen Bestandteil smarter Städte werden, die sowohl komfortabel als auch ökologisch nachhaltig sind. Das wäre auch ein Schritt dazu, den CO2-Fußabdruck des Menschen auf Null zu reduzieren.

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