Den von Kühlsystemen verursachten Energieverbrauch zu senken und den Plastikmüll in der Umwelt zu verringern, sind zentrale Anforderungen an eine nachhaltige Wirtschaft. In einem Forschungsvorhaben zu neuartigen Funktionsfolien will der Bayreuther Physikochemiker Prof. Dr. Markus Retsch beide Probleme gleichzeitig angehen: Kunststoffabfälle sollen künftig zu großflächigen Folien verarbeitet werden, die kühlen können, ohne dass Energie von außen zugeführt werden muss.
Kunststoffprodukte sind heute in vielen Wirtschaftszweigen unentbehrlich – sei es bei Lebensmittelverpackungen, im Leichtbau oder in der Medizintechnik. Dennoch hat sich ein umfassendes Recycling und Upcycling bisher nicht durchsetzen können. Ein großer Teil der Kunststoffabfälle wird nach wie vor verbrannt oder in der Umwelt entsorgt. Gleichzeitig werden etwa 15 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs durch Kühlungssysteme verursacht: ein Anteil, der insbesondere aufgrund von Klimaveränderungen voraussichtlich noch steigen wird.
Dieser Entwicklung kann jedoch eine neue Technologie entgegenwirken: die passive Tageskühlung. Dabei wird die Aufheizung durch Sonneneinstrahlung vermieden und gleichzeitig die bereits vorhandene Wärme abgeführt, ohne dass eine externe Energiezufuhr nötig ist.
In dem vom ERC geförderten Projekt mit dem Namen „CoolChips“ wollen Prof. Dr. Markus Retsch und sein Bayreuther Mitarbeiter Dr. Qimeng Song aus Plastikabfällen, beispielsweise von Kartoffelchipstüten, großflächige Folien entwickeln. Diese könnten als nachhaltige Materialien beispielsweise auf Dächern, Jalousien und Markisen zur passiven Tageskühlung von Wohn- oder Bürogebäuden oder auch zur passiven Tageskühlung von Carparks eingesetzt werden.
„Für die passive Tageskühlung sind Materialien erforderlich, die spezielle optische Eigenschaften haben: Sie dürfen kein Sonnenlicht im Wellenbereich zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern absorbieren, sondern müssen die gesamte Sonneneinstrahlung in diesem Wellenlängenbereich streuen oder reflektieren. Im Bereich zwischen 8 und 12 Mikrometern müssen sie hingegen möglichst effizient ihre thermische Energie in Richtung des Weltalls aussenden. Denn nur Licht in diesem schmalen Fenster ist imstande, die Atmosphäre zu durchdringen und ins Weltall zu entweichen“, sagt Retsch, der an der Universität Bayreuth einen Lehrstuhl für Physikalische Chemie innehat.
In der Forschung wurden bereits zahlreiche Materialien entwickelt, um die Potenziale der passiven Tageskühlung auszuloten und zu demonstrieren. Viele von ihnen besitzen eine metallische Rückseitenbeschichtung. An die mit diesen Materialen gewonnenen Erkenntnisse knüpft das Bayreuther Projekt an: Aluminiumlaminate sind häufig verwendete Verbundwerkstoffe für Lebensmittel- und Einwegverpackungen. Sie bestehen aus mehreren Schichten, die für Sauerstoff und Feuchtigkeit undurchlässig sind.
Diese metallhaltigen Polymerfolien werden in großen Mengen in Form von kleinteiligen Produkten, beispielsweise als Tüten für Kartoffelchips, industriell hergestellt. Sie stellen die heute üblichen Recycling-Technologien vor erhebliche Probleme, weil die recycelten Polymere durch das Aluminium verunreinigt werden. Zugleich aber enthalten Aluminiumlaminate eine das Sonnenlicht reflektierende Schicht, die sie für passive Kühlungstechniken attraktiv macht.
Das Bayreuther Forschungsteam will deshalb Aluminiumlaminate, die als kleinteilige Folien produziert und bereits recycelt wurden, als Ausgangsmaterialien nutzen: Zunächst sollen die recycelten Laminate zu großflächigen Folien weiterverarbeitet werden. Anschließend sollen ihre optischen Eigenschaften mit speziellen Beschichtungstechniken so verändert werden, dass sie zur passiven Tageskühlung optimal geeignet sind. „Wenn es gelingt, die neuartigen Folien im großen Maßstab herzustellen, können daraus eine Vielzahl neuer Anwendungen für das Kältemanagement von Gebäuden, Klimaanlagen und weiterer Infrastruktur entstehen. Dies kann einen signifikanten Beitrag zu angenehm temperierten Wohnräumen und zur Senkung des durch Kühlungssysteme verursachten Energieverbrauchs leisten“, sagt Retsch.
Für sein Forschungsvorhaben „VISIRday“ ist der Bayreuther Physikochemiker im Jahr 2016 vom Europäischen Forschungsrat mit einem „ERC Starting Grant“ ausgezeichnet worden. Im Rahmen dieses Projekts hat er sich intensiv mit der passiven Tageskühlung befasst und die konzeptionellen Grundlagen für die Entwicklung der erforderlichen Materialien gelegt. Mit dem neuen, ebenfalls vom ERC vergebenen „Proof of Concept Grant“ wird er diese Erkenntnisse nun für innovative Anwendungen nutzbar machen. Es handelt sich um ein Förderprogramm, an dem nur diejenigen Wissenschaftler*innen teilnehmen können, die bereits einen ERC Grant erhalten haben.