Schaltbare Fenster lassen Licht rein und halten Wärme draußen

Statt Jalousie oder Vorhang reicht ein Knopfdruck, um Fensterfronten zu verdunkeln. Zwar sind erste schaltbare Gläser bereits auf dem Markt, doch nun entwickelte ein Forscherteam noch intelligentere Scheiben. Auf Wunsch lässt sich mit den Prototypen erstmals sogar Wärmestrahlung blockieren, ohne dass es im Raum dunkler wird. In Gläser eingebettete Nanokristalle sind für diese selektive Abschirmung verantwortlich, berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“. Das Potenzial schaltbarer elektrochromer Fenster etwa für gläserne Büropaläste ist sehr groß. Denn auf Wunsch blockierte Wärmestrahlung könnte den Energiebedarf für Klimaanlagen drastisch senken.

Zwei Scheiben werden ins Sonnenlicht gehalten, eine davon ist durchsichtig, die andere ist abgedunkelt.
Schaltbare Scheiben

„Wir entwickelten ein neues Materialkonzept, mit dem sich die Transmission von Wärme und Licht der Sonne dynamisch kontrollieren lässt“, sagt Delia Milliron vom Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA. Für ihre schaltbare Beschichtung, die sich auf herkömmliche Fenster auftragen lässt, nutzte sie winzige Kristalle aus Indiumzinnoxid. Verteilt in einer Lösung lagerte Milliron diese Nanokristalle zusammen mit ihren Kollegen in eine Matrix aus einem Nioboxidglas. Aufgeheizt auf 400 Grad, entstand so das elektrisch schaltbare elektrochrome Material mit seinen überraschenden Vorteilen. Abhängig von einer angelegten Spannung ordneten sich die Nanokristalle und das Nioboxid über die Wanderung der enthaltenen Metallionen zu Strukturen mit jeweils unterschiedlichen optischen Eigenschaften zusammen.

Mikroskopaufnahme in schwarz-weiß, in der Mitte ist eine abgegrenzte, runde Struktur zu sehen, die von feineren Strukturen umgeben ist.
Nanokristall

Bei einer elektrischen Spannung von vier Volt ließ diese durchsichtige Beschichtung das komplette Spektrum des Sonnenlichts durch, einschließlich der Wärmestrahlung. Reduziert auf 2,3 Volt dagegen wurde die Wärmestrahlung selektiv blockiert, der sichtbare Anteil des Lichts jedoch nicht. Erst ab 1,5 Volt verdunkelte sich das Material zunehmend und absorbierte auch große Teile des sichtbaren Lichtspektrums. Dieser Prozess konnte mehrere tausend Mal durchgeführt werden, ohne dass sich die optischen Eigenschaften nennenswert änderten.

Auf der Basis dieser Ergebnisse ließen sich nun Fenster mit schaltbaren Beschichtungen entwickeln. Allerdings zählen die verwendeten Metalloxide und Nanokristalle zu relativ teuren Materialien, die auch beim Bau von Displays eingesetzt werden. Zudem nutzen Milliron und Kollegen für den elektrischen Kontakt eine hauchdünne und durchsichtige Elektrode aus Lithium. Da dieses Metall sehr leicht chemisch reagiert, müsste nach sichereren Alternativen Ausschau gehalten werden.