In Zukunft soll der Stromverbrauch deutlich steigen. Das besagen zahlreiche Studien und Prognosen forschender Institute. Und betrifft beinahe die ganze Welt. US-amerikanische Forscher der Texas A&M University haben deshalb phasenwechselnde Verbundstoffe entwickelt, die die Umgebungstemperatur in Gebäuden mit einem einfacheren und kostengünstigeren Prozess regulieren können. Von den Forschern wurde auch darauf geachtet, dass sich die Verbundwerkstoffe mit dem 3D-Drucker verarbeiten lassen.

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Texas A&M University LogoIn einer neuen Studie haben Forscher der Texas A&M University neuartige phasenwechselnde (Phase-Change-Material, PCM) Verbundstoffe entwickelt, die die Umgebungstemperatur in Gebäuden mit einem einfacheren und kostengünstigeren Herstellungsprozess regulieren können. Die Verbundwerkstoffe können auch mit Hilfe von 3D-Druck verarbeitet und nahtlos in verschiedene Innenumgebungen integriert werden.

Temperaturregelung ohne externe Elektrizität

Konventionelle Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen sind die am häufigsten verwendeten Methoden zur Temperaturregelung in Wohn- und Gewerbegebäuden, doch diese Systeme verschlingen viel Energie und benötigen eine innovativere, energieeffizientere Alternative.

Diese anhaltenden Probleme dienten als Inspiration für die Forschung nach alternativen Materialien und Technologien, die weniger Energie benötigen, um die Temperatur entsprechend zu regulieren. Dazu zählen u. a. Phasenwechselmaterialien, die ihren physikalischen Zustand in Abhängigkeit von der Temperatur in der Umgebung wechseln. Wenn also Phasenwechselmaterialien Wärme speichern, wandeln sie sich bei der Aufnahme von Wärme von fest in flüssig um – und umgekehrt, wenn sie Wärme abgeben.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die zum Heizen und Kühlen ausschließlich auf externe Energie angewiesen sind, sind diese Materialien daher passive Komponenten, die keine externe Elektrizität zur Temperaturregelung benötigen.

Thermische Energie ohne Leckage verwalten

3D-Objekt aus phasenwechselndem Verbundwerkstoff
Die phasenwechselnde Verbundwerkstoffe lassen sich mit einem 3D-Drucker verarbeiten und sollen Temperaturen in Gebäuden regulieren (Bild © Texas A&M University College of Engineering).

Der traditionelle Ansatz zur Herstellung von PCM-Baumaterialien erfordert die Bildung einer separaten Hülle um jedes PCM-Partikel. Es war jedoch eine Herausforderung, Baumaterialien zu finden, die sowohl mit dem PCM als auch mit seiner Hülle kompatibel sind. Dieses herkömmliche Verfahren verringert dementsprechend auch die Anzahl der PCM-Partikel, die in Baumaterialien eingearbeitet werden können.

Um diese Herausforderungen zu meistern, haben frühere Studien gezeigt, dass bei Verwendung von phasenänderndem Paraffinwachs, gemischt mit flüssigem Harz, das Harz sowohl als Hülle als auch als Baumaterial fungiert. Diese Methode schließt die PCM-Partikel in ihren einzelnen Taschen ein, sodass sie sicher einen Phasenwechsel durchlaufen und die thermische Energie ohne Leckage verwalten können.

In ähnlicher Weise kombinierte das Forscherteam zunächst lichtempfindliche Flüssigharze mit einem phasenändernden Paraffinwachspulver, um einen neuen Tintenverbund für die Verarbeitung mit dem 3D-Drucker herzustellen. Zum Schluss wurden Tests zur Thermoregulation der phasenwechselnden Verbundwerkstoffe durchgeführt, in welchen sich die Temperatur des Modells im Vergleich zu Modellen aus herkömmlichen Materialien sowohl für die Heiz- als auch für die Kühlzyklen um 40 % von den Außentemperaturen unterscheidet.

In Zukunft möchten die Forscher mit verschiedenen Phasenwechselmaterialien außer Paraffinwachs experimentieren, damit diese Verbundwerkstoffe in breiteren Temperaturbereichen arbeiten und während eines bestimmten Zyklus mehr Wärmeenergie bewältigen können.

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