Sonnenbrillen, deren Gläser sich von selbst abdunkeln und aufhellen können, sind immer wieder mal in Mode. Zur Abdunklung großer Fensterflächen gibt es ähnliche Verfahren, die aber nicht immer umweltfreundlich sind. Japanische Wissenschaftler haben dafür eine Lösung: die Silberionensperre.
Die Silberionensperre soll Fenster abdunkeln: Ohne umweltschädliche Halogene
Die Idee, dass Glas sich selbsttätig abdunkelt oder aufhellt, ist nicht neu. Schon seit Jahrzehnten gibt es Sonnenbrillen und Lösungen für Fensterfronten, die keine Jalousien oder anderen zusätzlichen Sonnenschutz erfordern. Insbesondere Büros, in denen helles Sonnenlicht während der Mittagsstunden störend wirkt, gelten als vorrangiger Einsatzbereich für diese Art von Sichtschutz. Es gibt dabei verschiedene technische Verfahren, um Glasscheiben aufzuhellen bzw. zu verdunkeln.
Drei Varianten sind gängig:
- Thermotrope Scheiben trüben sich milchig ein
- Photochrome Scheiben dunkeln sich ab (wird z. B. bei Sonnenbrillen verwendet)
- Elektrochrome Scheiben können unabhängig vom Lichteinfall per Knopfdruck umgeschaltet werden
Ideen für die physikalische Umsetzung der selbsttätig das Sonnenlicht aussperrenden Verglasungen gibt es viele. Problematisch ist jedoch die Marktreife, denn was im Labor oft zufriedenstellend funktioniert, stellt die Industrie vor große Herausforderungen bei der Produktion. Sie ist zum einen im Vergleich zur klassischen Glasherstellung wesentlich teurer und aufwändiger; zum anderen gibt es bei vielen Verfahren Probleme bei der umweltfreundlichen Entsorgung.
Das liegt insbesondere beim photochromen Glas an den eingesetzten Halogenen, die bei Glasbruch und der späteren Entsorgung freigesetzt werden könnten. Sie gelten als gesundheitsschädlich und sogar krebserregend. Mit der Silberionensperre haben die japanischen Wissenschaftler um Tetsuo Yazawa jetzt eine Möglichkeit gefunden, wie man auf Halogene komplett verzichten kann.
Schon seit Jahrzehnten gibt es Sonnenbrillen und Lösungen für Fensterfronten, die keine Jalousien oder anderen zusätzlichen Sonnenschutz erfordern. (#01)
Silberionensperre könnte photochromes Glas revolutionieren
Beim photochromen Glas kommt ein ähnlicher Effekt wie bei der klassischen Fotografie auf Schwarzweiß-Film zum Einsatz. Dabei spalten die auf den Film auftreffenden Lichtstrahlen Moleküle aus Silber und einem Hilfsstoff (z. B. Chlor, Brom oder Jod) auf. Durch diese Aufspaltung wandeln sich die Silberionen in Silberatome um und bilden Cluster, die die jeweiligen Stellen auf dem Film je nach Intensität des Lichteinfalls dunkel einfärben.
Beim photochromen Glas funktioniert das ähnlich, allerdings muss man hier auch an die Umkehrung des Prozesses denken, denn schließlich möchte man ja nicht, dass das Glas dunkel bleibt, wenn es sich einmal umgefärbt hat. Ist die Sonne weg, soll es wieder durchsichtig werden.
Um dieses Kunststück zu vollbringen, verlieren die Silberatome die zuvor aufgenommenen Elektronen wieder, wodurch die Transparenz des Glases wieder vollständig hergestellt wird. Damit das funktioniert, ist ein Lieferant von Elektronen notwendig, um die Silberpartikel zu versorgen.
Der Japaner Tetsuo Yazawa suchte nach einem Weg, die hierfür bislang als unersetzlich angesehenen, umwelt- und gesundheitsschädlichen Halogene zu ersetzen. Mit seiner Silberionensperre scheint ihm das laut obigem Newsletter schon vor einiger Zeit gelungen zu sein.
Funktionsweise der Silberionensperre wurde mit einem Prototyp nachgewiesen
Wie Newsletter und diverse Forschungsberichte in einschlägigen Fachzeitschriften berichten, hat er nach Lösungen für die Silberionensperre gesucht, indem er Ableitsystem, Elektroden und ein spezielles Gel-Elektrolyt untersucht hat. Am Ende seiner Arbeit stand ein Versuchsaufbau, der Glas mit integriertem Abdunklungsmechanismus auf Basis der Silberionensperre enthielt. Zuvor galten die Halogene als nicht ersetzbar, doch Yazawa gelang genau dieser Kniff, indem er einen anderen Elektronenspender in Form von Nitrat fand.
Bei UV-Einstrahlung färbt sich das Glas gelblich und verringert somit den Lichteinfall erheblich. Um es wieder zu entfärben, muss man die Scheibe wieder erhitzen. Dies wird in der Industrie noch als Nachteil angesehen, da es einen größeren Herstellungsaufwand erfordert, um die Scheiben nach der Verdunklung durch Aufheizen wieder aufzuhellen.
Außerdem gilt die gelbliche Farbe nicht als optimal, um in allen Einsatzbereichen zu bestehen, weswegen sich die Forschungsarbeit der Japaner nun darauf fokussiert, die Entfärbung ohne zusätzlichen Arbeitsschritt selbsttätig zu erreichen und andere Farbgebungen zu ermöglichen.
Am Ende seiner Arbeit stand ein Versuchsaufbau, der Glas mit integriertem Abdunklungsmechanismus auf Basis der Silberionensperre enthielt. (#02)
Optische Datenspeicher auf Basis der Silberionensperre
Doch die Silberionensperre hat auch noch andere Anwendungsmöglichkeiten. Optische Datenspeicher werden zwar immer wieder in der Forschung als kurz vor dem Durchbruch stehend bezeichnet, doch die Verfügbarkeit immer größerer Speicherkapazitäten der klassischen Speichermedien hat die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung bislang infrage gestellt.
Sollte sich die Silberionensperre auch in diesem Bereich als brauchbar herausstellen, könnte sich dies nach Meinung von Yazawa und seiner Mitarbeiter schnell ändern.
Um Lösungen für optische Datenspeicher zu finden, sind derzeit immer noch große Anstrengungen im Gange, doch es ist unklar, ob und wann praktikable Lösungen die Marktreife erlangen werden. Problematisch sind nach wie vor Details wie das Unterbringen haltbarer Elektroden, die auch einer Dauerbelastung standhalten.
Gel-Elektrolyt könnte eine Lösung für manche Einsatzbereiche sein, um bei integriertem Schaltkreisdesign mehr Flexibilität zu erlangen.
Die Silberionensperre ist nicht der einzige Weg zum Ziel
Neben den photochromen Scheiben, die Lösungen wie die Silberionensperre erfordern, sind thermotrope Gläser ebenfalls in der Entwicklung. Sie trüben sich nicht durch die Lichteinwirkung ein, sondern durch Wärme, also nicht durch UV- sondern durch Infrarotstrahlung.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass keine bedenklichen Substanzen bei der Herstellung des Glases eingesetzt werden müssen. Überhaupt ist die Produktion etwas einfacher als bei photochromen Gläsern und unterscheidet sich in der Herstellung kaum von herkömmlichem Verbundglas. Vereinfacht gesagt, werden bei thermotropen Lösungen zwei Glasscheiben mit einer dazwischenliegenden Gießharzschicht verbunden.
In dieser Schicht sind diverse organische Substanzen integriert, die auf unterschiedliche Temperaturen reagieren. Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) in Stuttgart ist federführend bei der Entwicklung eines preiswerten Materials namens T-OPAL, das für diese Anwendung infrage kommt. Bei Temperaturen zwischen 22 und 26 Grad Celsius färbt das Glas sich automatisch ein und hat dann eine opake Optik.
Ein weiterer Vorteil im Vergleich zum photochromen Glas liegt darin, dass nicht nur das Licht ausgesperrt wird, sondern auch die Wärme reduziert wird, die durch die Scheibe eindringt. Sinken die Temperaturen ab, wird die Fensterscheibe wieder komplett durchsichtig.
Vereinfacht gesagt, werden bei thermotropen Lösungen zwei Glasscheiben mit einer dazwischenliegenden Gießharzschicht verbunden. (#03)
Energiesparender als die Silberionensperre?
Abgesehen von der aufwändigen Produktion und der erforderlichen Aufheizung der Silberionensperre zur Wiedererlangung der vollen Transparenz der Scheiben hat das Verfahren der thermotropen Gläser des Teams der T-OPAL Mitarbeiter einen weiteren Pluspunkt zu verzeichnen. Denn durch die wärmeisolierende Eigenschaft könnte insbesondere beim großflächigen Einsatz in großen Gebäuden mit weitläufigen Fensterfronten die Aufheizung im Sommer erheblich reduziert werden.
In der Folge müssten Klimaanlagen (und Heizungen im Winter!) samt Ableitsystem weitaus weniger stark laufen, was der Energieeffizienz von Bauwerken zugute kommt. Doch die Entwickler thermotroper Polymere sehen noch größeres Potenzial, denn das thermotrope Glas lässt sich auch dort einsetzen, wo keine ausgeprägte Infrastruktur zur Verfügung steht.
Insbesondere in abgelegenen Gebieten oder beim Einbau in alten Gebäuden könnte die thermotrope Verglasung ohne großen technischen Aufwand nachgerüstet werden. Selbst zur Energieerzeugung lassen sich derartige Fensterflächen nutzen, weil sich Photovoltaikmodule vergleichsweise leicht integrieren lassen. Doch alleine der Einsatz thermotroper Scheiben in sonnenreichen Gegenden könnte bereits zu einer erheblichen Reduktion des Energieverbrauchs beitragen.
Im Vergleich zu normaler Doppelverglasung könnte schon ein Anteil von nur 6 % eines sogenannten thermotropen Additivs zu einer Energieeinsparung von gut 22 Prozent führen.
Das kann die Silberionensperre nicht leisten, doch die Einsatzgebiete photochromer und thermotroper Glasscheiben überschneiden sich nicht immer. Was für den einen Anwendungsbereich ideal ist, mag für einen anderen unbrauchbar sein. Daher kann man davon ausgehen, dass die Forschung an unterschiedlichen Lösungsansätzen auch in Zukunft weitergeht.
Denkbar sind künftig sogar ganze Fassaden, die aus derartigen Gläsern gefertigt werden und Außenwände komplett ersetzen könnten. Durch die Integration von Schaltkreisen und LEDs könnten sie überdies zu überdimensionalen Anzeigebildschirmen werden, die im Rahmen von Smarthome-Lösungen eine entsprechende Funktionalität bereitstellen.
Durch die Integration von Schaltkreisen und LEDs könnten sie überdies zu überdimensionalen Anzeigebildschirmen werden, die im Rahmen von Smarthome-Lösungen eine entsprechende Funktionalität bereitstellen. (#04)
Fazit: Die Silberionensperre löst einige Umweltprobleme, ist aber nicht der einzige Weg zum Ziel
Die japanischen Forscher haben mit der Silberionensperre ein wichtiges Problem gelöst – oder liefern zumindest einen neuen Ansatz dazu. Während bei photochromen Scheiben bislang immer die potenziell gesundheits- und umweltschädlichen Halogene eingesetzt werden mussten, bietet die Silberionensperre eine Lösung ganz ohne spätere Entsorgungsprobleme.
Ein Problem stellt in der Praxis noch die Notwendigkeit zur Aufheizung der Scheibe dar, um nach der Abdunklung wieder klar zu werden. Außerdem sagt die bislang gelbe Einfärbung nicht jedem zu. Eine Anwendung als optischer Datenspeicher ist jedoch ebenfalls denkbar. Anders als die Silberionensperre setzt die Entwicklung T-OPAL auf thermotrope Abdunklung.
Der Vorteil liegt in der einfacheren Implementierung in bestehende Gebäude sowie im Energiesparpotenzial, da nicht nur Licht- sondern auch Wärmestrahlung abgeblockt wird.
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