Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Koh­len­stoff-Rie­sen­mo­le­kü­le las­sen die Heiz­ko­sten sinken

Symbolbild Bildung

Wär­me­däm­men­de Mate­ria­li­en zu ent­wickeln, mit denen sich die Ener­gie­ef­fi­zi­enz von Gebäu­den erheb­lich stei­gern lässt, ist eine zuneh­mend dring­li­che Her­aus­for­de­rung. Schon seit gerau­mer Zeit wer­den beim Haus­bau Kunst­stoff-Schäu­me ver­wen­det, um Dach und Außen­wän­de bes­ser zu iso­lie­ren. Einem For­schungs­team um Prof. Dr.-Ing. Vol­ker Alt­städt an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist es jetzt gelun­gen, die­se Iso­la­ti­ons­wir­kung erheb­lich zu stei­gern. Auf der Basis von Poly­sty­rol-Schäu­men haben die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler neu­ar­ti­ge Dämm­ma­te­ria­li­en ent­wickelt, die zu einer dra­sti­schen Sen­kung von Heiz­ko­sten bei­tra­gen können.
Der Grund dafür liegt in äußerst wir­kungs­vol­len Zuta­ten, wel­che die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler dem Poly­sty­rol bei­gemischt haben. Es han­delt sich dabei um extrem dün­ne Koh­len­stoff­plätt­chen, soge­nann­te Gra­phene. Die­se Plätt­chen sind flä­chi­ge Netz­wer­ke von Koh­len­stoff­ato­men, die in sechs­ecki­gen Waben ange­ord­net sind. Es sind Rie­sen­mo­le­kü­le, denn in der Län­ge und Brei­te beträgt ihre Aus­deh­nung rund 350 Nano­me­ter. Aber wegen ihres flä­chi­gen Auf­baus errei­chen sie nur eine Höhe von rund 10 Nanometern.

Gra­phene im Kunst­stoff-Schaum ver­klei­nern die Hohl­räu­me und sen­ken die Durch­läs­sig­keit für infra­ro­te Strahlung

Poly­sty­rol-Schäu­me bestehen aus vie­len klei­nen hoh­len Zel­len, die durch Kunst­stoff­wän­de von­ein­an­der getrennt sind. Nor­ma­ler­wei­se haben die­se Zel­len einen Durch­mes­ser von rund 100 Mikro­me­tern. Sobald aber dem Kunst­stoff die Koh­len­stoff­plätt­chen bei­gemischt wer­den, ver­rin­gert sich die Zell­grö­ße auf 25 Mikro­me­ter. Die Fol­gen für die Iso­la­ti­ons­wir­kung sind enorm. Denn auf­grund der ver­klei­ner­ten Zel­len wird die Gas­wär­me­lei­tung deut­lich ver­min­dert; das heißt, es fließt eine wesent­lich gerin­ge­re Wär­me­men­ge durch die im Kunst­stoff-Schaum ent­hal­te­ne Luft. Zudem wird auf­grund der Gra­phen-Plätt­chen die infra­ro­te Strah­lung abge­senkt. Denn infra­ro­te Strah­lung, die einen hohen Anteil an der aus Wohn­räu­men ent­wei­chen­den Wär­me hat, kann den Kunst­stoff-Schaum kaum noch durch­drin­gen. Sie wird größ­ten­teils reflek­tiert oder vom Kunst­stoff absorbiert.

Folg­lich eig­nen sich die mit Gra­phenen ver­setz­ten Schäu­me vor­züg­lich als Dämm­ma­te­ria­li­en, die dafür sor­gen, dass die Wär­me in den Wohn­räu­men bleibt. „Die neu­en Poly­sty­rol-Schäu­me las­sen sich ohne hohen tech­ni­schen Auf­wand indu­stri­ell her­stel­len, so dass künf­tig im Bau­be­reich erheb­li­che Ein­spa­run­gen mög­lich wer­den“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Vol­ker Alt­städt, der an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth den Lehr­stuhl für Poly­me­re Werk­stof­fe innehat.

„FUNgra­phen“ – ein mate­ri­al­wis­sen­schaft­li­ches For­schungs­pro­jekt stärkt die Ener­gie- und Ressourceneffizienz

Die wär­me­däm­men­den Kunst­stoff­schäu­me sind eines von zahl­rei­chen Ergeb­nis­sen des auf meh­re­re Uni­ver­si­tä­ten und For­schungs­ein­rich­tun­gen ver­teil­ten For­schungs­pro­jekts „FUNgra­phen“. Die Lei­tung des Gesamt­pro­jekts liegt bei Prof. Dr. Rolf Mül­haupt am Frei­bur­ger Mate­ri­al­for­schungs­zen­trum (FMF), einer Ein­rich­tung der Uni­ver­si­tät Frei­burg. Dar­über hin­aus sind auch die Bun­des­an­stalt für Mate­ri­al­for­schung und ‑prü­fung in Ber­lin und das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Werk­stoff­me­cha­nik in Frei­burg in die For­schungs­ar­bei­ten ein­ge­bun­den. „FUNgra­phen“ – der Pro­jekt­na­me steht für „Func­tio­n­al Gra­phen“ – zielt dar­auf ab, aus rie­si­gen Koh­len­stoff­mo­le­kü­len neue Mate­ria­li­en zu ent­wickeln, die in ver­schie­den­sten Lebens­be­rei­chen den Ver­brauch von Ener­gie und Res­sour­cen sen­ken, ohne Kom­fort und Lebens­qua­li­tät zu beeinträchtigen.

In die­sem Zusam­men­hang ist es den Pro­jekt­part­nern gelun­gen, ein­zel­ne Gra­phene im Labor zu iso­lie­ren und mit Kunst­stoff­mo­le­kü­len zu ver­knüp­fen. In der Natur kom­men die­se Koh­len­stoff­plätt­chen nicht ver­ein­zelt vor. Es gibt sie haupt­säch­lich als Bestand­tei­le des Mine­rals Gra­phit, wo die waben­ar­tig ver­netz­ten Koh­len­stoff­ato­me in kri­stal­li­nen Struk­tu­ren tau­send­fach auf­ein­an­der geschich­tet sind. Das Ver­fah­ren, die Gra­phene aus die­sen Struk­tu­ren her­aus­zu­lö­sen und in Kunst­stof­fe ein­zu­brin­gen, eröff­net jetzt neue Per­spek­ti­ven für Mate­ria­li­en, die das Prin­zip der Nach­hal­tig­keit in Indu­strie und Wirt­schaft erheb­lich stär­ken. Dipl.-Ing. Tho­mas Köppl, wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, meint: „Die von uns ent­wickel­ten Dämm­ma­te­ria­li­en sind nur ein Bei­spiel für das hohe Inno­va­ti­ons­po­ten­zi­al, das in die­sem Gemein­schafts­pro­jekt steckt und noch längst nicht aus­ge­schöpft ist.

Kon­tak­te zum neu­en EU-Flagg­schiff „Gra­phene“

Der For­schungs­ver­bund „FUNgra­phen“ wird vom Bun­des­mi­ni­ste­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF) geför­dert und von einem Indu­strie­bei­rat beglei­tet. Das Frei­bur­ger Mate­ri­al­for­schungs­zen­trum (FMF) ist – par­al­lel zur Koor­di­na­ti­on die­ses Pro­jekts – auch als Part­ner in den EU-Spit­zen­for­schungs­ver­bund „Gra­phene“ ein­ge­bun­den. Vor weni­gen Tagen hat­te die Euro­päi­sche Kom­mis­si­on bekannt gege­ben, die­ses Pro­jekt als „Future Emer­ging Tech­no­lo­gy Flagship“ für die kom­men­den 10 Jah­re mit 1 Mil­li­ar­de Euro för­dern zu wollen.

Ansprech­part­ner für die neu­en hoch­ef­fi­zi­en­ten Dämmmaterialien:

Prof. Dr.-Ing. Vol­ker Altstädt
Lehr­stuhl für Poly­me­re Werkstoffe
Uni­ver­si­tät Bayreuth
D‑95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55 7470 und 7471
E‑Mail: volker.​altstaedt@​uni-​bayreuth.​de