Keramikwand der TU Graz kühlt Umgebung um fast sieben Grad

Angesichts der aktuellen Hitzewelle wird die Suche nach stromsparender Kühlung dringlicher. Der Deutsche Wetterdienst warnt in weiten Teilen Deutschlands vor starker Wärmebelastung, im Osten und Südosten teilweise sogar vor extremer Hitze. Vor allem Dachwohnungen, Schulen, Büros und dicht bebaute Plätze speichern die Wärme über viele Stunden. Nachts kühlen sie oft kaum noch aus. Klimaanlagen können solche Räume erträglicher machen, benötigen jedoch viel Strom und geben ihre Abwärme nach draußen ab. Eine kühlende Keramikwand der Technischen Universität Graz könnte hier eine stromsparende Alternative bieten.

Ihre porösen Tonwürfel nehmen Wasser auf und verteilen es über eine große innere Oberfläche. Beim Verdunsten entzieht das Wasser der Umgebung Wärme. In einem aufgeheizten Dachgeschoss sank die Temperatur direkt neben einem Versuchswürfel um knapp sieben Grad Celsius. Die passive Kühlung kommt ohne Kompressor und Kältemittel aus. Mehrere Würfel lassen sich zu einer Wand mit steuerbarem Wasserkreislauf verbinden.

Wie die Keramikwand der Umgebung Wärme entzieht

Das Prinzip der Verdunstungskühlung kennt die Menschheit seit Jahrhunderten. Verdunstendes Wasser nimmt Wärme aus seiner Umgebung auf. Poröse Materialien wie Ton vergrößern mit ihren Kapillaren die Oberfläche und lassen so das Wasser leichter verdunsten. „Das funktioniert schon seit Jahrhunderten bei Tonkrügen ebenso wie in traditionellen Windtürmen“, sagt Milena Stavric von der TU Graz. Tonkrüge halten ihren Inhalt deshalb auch ohne Strom kühl. Windtürme nutzen zusätzlich den Kamineffekt der aufsteigenden Warmluft, um Gebäude zu temperieren.

Neu ist am Grazer System vor allem die innere Architektur der Würfel. Jeder Würfel misst rund 23 Zentimeter pro Seite. Ein 3D-Drucker formt aus einer Tonmischung ein dicht verzweigtes Geflecht mit großer Oberfläche. Beim anschließenden Brennen bleiben zahlreiche Poren erhalten. Sie saugen Wasser über Kapillarkräfte auf und verteilen es bis in feine Hohlräume. So kann auf wenig Raum viel Wasser verdunsten.

Form aus dem 3D-Drucker und Pilze verstärken den Kühleffekt

Die Form folgt einer sogenannten dreifach periodischen Minimalfläche. Solche Strukturen bestehen aus geschwungenen Flächen, die sich im Raum wiederholen. Sie kommen mit vergleichsweise wenig Material aus und schaffen zugleich viel Kontakt zur Luft. Für die Kühlwirkung ist das günstig: Je größer die feuchte Oberfläche, desto mehr Wasser kann verdunsten und dabei Wärme mitnehmen.

Zusätzlich mischt das Team Pilzkulturen und Holzspäne unter den Ton. Das Pilzgeflecht wächst durch die Masse, dadurch entstehen Hohlräume. Beim Brennen verbrennen Myzel und Holz. Zurück bleiben die kleinen und größeren Kanäle. Sie erleichtern dem Wasser den Weg durch den Würfel. Stavric beschreibt den 3D-Druck als technologischen Fortschritt, weil er „hochkomplexe, poröse und funktionsoptimierte Geometrien aus Tongemischen“ ermöglicht.

Fast sieben Grad Kühlung gelten nur direkt am Würfel

Für einen Praxistest stand ein wassergefüllter Keramikwürfel in einem heißen Dachgeschoss der Universität. In seiner unmittelbaren Umgebung sank die gemessene Temperatur um knapp sieben Grad Celsius. Dieser Wert beschreibt allerdings nicht die Abkühlung des gesamten Raumes. Der Effekt entstand in einem kontrollierten Aufbau nahe am Bauteil. Aussagen zu Reichweite, Wasserverbrauch und Wirkung bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit lassen sich daraus nicht ableiten.

Kristijan Ristoski verband im Rahmen seiner Masterarbeit mehrere Würfel mit einem steuerbaren Wasserkreislauf zu einer Wand. „Im gesamten Raum war die Kühlwirkung deutlich spürbar“, sagt er. Wie stark die durchschnittliche Raumtemperatur durch die Kühlwand sank, nennt die TU Graz jedoch nicht. Auch Langzeitmessungen, Vergleiche mit anderen Kühlsystemen und Angaben zum Wartungsaufwand fehlen bislang.

Auch Seeschlamm könnte zum Baustoff werden

Neben Ton erprobt das Team weitere Baustoff-Mischungen. Dazu gehört Schlamm aus dem Neusiedler See. Das Material fällt bei Baggerarbeiten an, die eine fortschreitende Verlandung des flachen Gewässers bremsen sollen. Bisher landet ein großer Teil des Sediments ungenutzt in der Entsorgung. Künftig könnte es auch als Ausgangsstoff für gedruckte Keramikbauteile dienen.

Die Technik lässt sich bereits an zwei Orten in Graz begutachten. Im Museum der Wahrnehmung steht eine Installation der Kühlwand. Auf dem Campus Neue Technik errichtete die Universität zudem eine freistehende Wand aus Ton. Sie misst zwei mal zwei Meter. Planungsbüros und Unternehmen können dort testen, wie stark die Kühlung in der Nähe der feuchten Keramik ausfällt.

Wo die Keramikwand praktisch helfen könnte

Besonders interessant sind Bereiche, in denen natürliche Verschattung oder große Lüftungsanlagen fehlen. Eine Keramikwand könnte lokal kühlere Zonen schaffen, etwa an Haltestellen, in Innenhöfen oder in Wartebereichen. Dafür braucht sie einen geregelten Wasserkreislauf. Wie viel Wasser eine größere Anlage im Dauerbetrieb benötigt, geht aus den Angaben der TU Graz nicht hervor.

Für Stavric steht fest: „Unser Ziel ist es, Kühlung dort bereitzustellen, wo Menschen besonders unter Hitze leiden – etwa in Städten, wo Kühlung durch Bäume teilweise kaum möglich ist.“ Ob daraus ein marktfähiges Bauteil entsteht, hängt nun von weiteren Tests und den Ergebnissen ab.

Kurz zusammengefasst:

Die TU Graz hat eine Keramikwand entwickelt, die Wasser in feinen Poren verteilt und ihre Umgebung durch Verdunstung kühlt.
In einem kontrollierten Versuch sank die Temperatur direkt neben einem wassergefüllten Würfel um knapp sieben Grad Celsius.
Vor einem breiten Einsatz müssen Wasserverbrauch, Reichweite, Wartungsaufwand und Kühlleistung größerer Anlagen noch genauer geprüft werden.

Übrigens: Während die Grazer Keramikwand ganz ohne stromhungrige Klimatechnik kühlt, kann die Nutzung klassischer Klimaanlagen dazu führen, dass dicht bebaute Städte sich zusätzlich aufheizen. Je mehr Geräte laufen, desto größer werden Abwärme und Strombedarf – mehr dazu in unserem Artikel.