Der Neue Wiesentbote

Neue Mate­ria­li­en für ener­gie­ef­fi­zi­en­te und kli­ma­freund­li­che Kühltechnologien

Pro­fes­sor Dr. Mar­kus Retsch, Lich­ten­berg-Juni­or­pro­fes­sor für Poly­me­re Syste­me an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, erhält einen ERC Start­ing Grant und damit einen der bedeu­tend­sten euro­päi­schen For­schungs­prei­se für jun­ge Spit­zen­for­scher. Mit die­ser Aus­zeich­nung wür­digt der Euro­päi­sche For­schungs­rat (Euro­pean Rese­arch Coun­cil, ERC) her­aus­ra­gen­de Wis­sen­schaft­ler, die mit visio­nä­ren Kon­zep­ten neue Gebie­te der Grund­la­gen­for­schung erschlie­ßen und zukunfts­wei­sen­den Tech­no­lo­gien den Weg bahnen.

Das neue For­schungs­vor­ha­ben VISIR­day von Prof. Retsch zielt auf ener­gie­ef­fi­zi­en­te und kli­ma­freund­li­che Kühl­sy­ste­me ab, die bei­spiels­wei­se in Wohn­ge­bäu­den oder Tex­ti­li­en zum Ein­satz kom­men kön­nen und die bis­he­ri­gen Kühl­tech­ni­ken revo­lu­tio­nie­ren wür­den. Weil sie ohne exter­ne Ener­gie­zu­fuhr funk­tio­nie­ren, wer­den sie auch als ‚pas­si­ve Kühl­tech­no­lo­gien‘ bezeich­net. Der ERC hat das Pro­jekt für die näch­sten fünf Jah­re zur För­de­rung durch einen ERC Start­ing Grant emp­foh­len. Mit der För­der­sum­me von ins­ge­samt rund 1,5 Mio. Euro wird der Bay­reu­ther Poly­mer­wis­sen­schaft­ler einen neu­en Schwer­punkt inner­halb sei­ner For­scher­grup­pe set­zen, wel­che die phy­si­ka­li­schen, che­mi­schen und mate­ri­al­wis­sen­schaft­li­chen Grund­la­gen die­ser Kühl­tech­no­lo­gie unter­su­chen wird.

Ein ‚Strah­lungs­fen­ster‘ in der Erdatmosphäre

Pas­si­ve Kühl­tech­no­lo­gien wür­den hel­fen, den Ener­gie­ver­brauch in den Indu­strie­län­dern zu sen­ken und Kühl­ka­pa­zi­tä­ten in ent­le­ge­nen Gebie­ten bereit­zu­stel­len. Die Erd­at­mo­sphä­re kann sol­che Tech­no­lo­gien in einer ent­schei­den­den Hin­sicht unter­stüt­zen: Sie lässt Wär­me­strah­len, die eine Wel­len­län­ge zwi­schen 8 und 13 Mikro­me­tern haben und daher dem mitt­le­ren Infra­rot­be­reich zuge­ord­net sind, nahe­zu ohne Ein­schrän­kung ins kal­te Welt­all ent­wei­chen; Wär­me­strah­len in ande­ren Wel­len­län­gen­be­rei­chen wer­den hin­ge­gen zurück zur Erde gelenkt und kön­nen somit nicht zu einer Küh­lung bei­tra­gen. Mit sei­nem neu­en For­schungs­vor­ha­ben will Prof. Retsch die­ses klei­ne ‚Strah­lungs­fen­ster‘ aus­nut­zen. Im Rah­men von VISIR­day wer­den neue Mate­ria­li­en ent­wickelt, die sich dadurch aus­zeich­nen, dass die von ihnen abge­ge­be­nen Wär­me­strah­len aus­schließ­lich die­sem schma­len Wel­len­län­gen­be­reich ange­hö­ren, der unge­hin­dert die Atmo­sphä­re pas­sie­ren kann. Vor allem bei kla­rem Him­mel wird die­se Wär­me­en­er­gie nahe­zu voll­stän­dig ins kal­te Welt­all abgestrahlt.

Um einen tat­säch­li­chen Kühl­ef­fekt zu erzeu­gen, müs­sen der­ar­ti­ge Mate­ria­li­en jedoch das ein­fal­len­de Son­nen­licht als inten­si­ve Ener­gie­quel­le wäh­rend des Tages effi­zi­ent blocken. Daher müs­sen sie gleich­zei­tig das sicht­ba­re und nahe Infra­rot­licht voll­stän­dig streu­en oder reflek­tie­ren. Nur so kann ein Auf­hei­zen der Mate­ria­li­en ver­hin­dert werden.

Her­kömm­li­che Kli­ma­an­la­gen funk­tio­nie­ren nur, wenn ihnen von außen Ener­gie zuge­führt wird. Sie erzeu­gen zusätz­li­che Abwär­me, wel­che in die Umge­bung abge­ge­ben wird. Die­se Abwär­me trägt unter ande­rem dazu bei, dass sich dicht besie­del­te Gebie­te wie bei­spiels­wei­se Groß­städ­te immer wei­ter auf­hei­zen. Die ange­streb­ten pas­si­ven Kühl­tech­no­lo­gien hin­ge­gen könn­ten ohne eine exter­ne Ener­gie­zu­fuhr aus­kom­men und zugleich die Ent­ste­hung zusätz­li­cher Abwär­me ver­mei­den. Sie wären somit ein ent­schei­den­der Bei­trag zu kli­ma­freund­li­che­ren und nach­hal­ti­ge­ren Kühlmethoden.

Fein­tu­ning elek­tro­ma­gne­ti­scher Wellen

Bei den ange­streb­ten Mate­ria­li­en, die die­se Anfor­de­run­gen erfül­len, han­delt es sich um Nano- und Meso­par­ti­kel – also um Teil­chen in einer Grö­ßen­ord­nung von weni­gen 10 bis eini­gen 1000 Nano­me­tern. Durch das Zusam­men­spiel ihrer Mate­ri­al­kom­po­nen­ten und Struk­tu­ren ist es mög­lich, die nanoop­ti­schen Eigen­schaf­ten der Teil­chen so zu beein­flus­sen, dass Wär­me­strah­len aus­schließ­lich im gewünsch­ten Wel­len­län­gen­be­reich abge­ge­ben wer­den. Die Her­stel­lung geeig­ne­ter Struk­tu­ren lässt sich durch geschick­te Kom­bi­na­ti­on litho­gra­fi­scher Ver­fah­ren und Pro­zes­se der Selbst­an­ord­nung detail­ge­nau kontrollieren.
„In unse­rem For­schungs­pro­jekt VISIR­day wer­den wir dar­auf hin­ar­bei­ten, dass sich die von den Nano- und Meso­par­ti­keln abge­ge­be­ne Wär­me­en­er­gie mög­lichst prä­zi­se ein­stel­len lässt“, erklärt Prof. Retsch. „Ein Fein­tu­ning der elek­tro­ma­gne­ti­schen Wel­len, die mit den Nano- und Meso­struk­tu­ren wech­sel­wir­ken, wür­de eine prä­zi­se Steue­rung des auf­ge­nom­me­nen Son­nen­lichts und der abge­ge­be­nen Wär­me­strah­lung bewir­ken. Wenn uns die Ent­wick­lung von Mate­ri­al­sy­ste­men gelingt, die ein sol­ches Fein­tu­ning zulas­sen, ver­fü­gen wir über wich­ti­ge Bau­stei­ne für neue ‚pas­si­ve‘ Kühl­tech­no­lo­gien, die den Ener­gie­ver­brauch für eine Viel­zahl von Kühl­an­wen­dun­gen absen­ken können.“

Natur als Vorbild

Die ange­streb­ten Kühl­tech­ni­ken ori­en­tie­ren sich an Vor­bil­dern aus der Natur. So besitzt die saha­ri­sche Sil­ber­amei­se ein Fell aus hier­ar­chisch struk­tu­rier­ten Haa­ren, die das Son­nen­licht im sicht­ba­ren Wel­len­län­gen­be­reich effek­tiv nach außen abstrah­len. So ist dafür gesorgt, dass sich die Kör­per­tem­pe­ra­tur der Amei­se nicht signi­fi­kant erhöht, selbst wenn sie in der Wüste sehr hohen Tem­pe­ra­tu­ren aus­ge­setzt ist. VISIR­day greift die­ses Funk­ti­ons­prin­zip auf und ist somit auch ein Bei­spiel für die wach­sen­de Bedeu­tung der Bio­nik: ein For­schungs­feld, das dar­auf abzielt, aus den beson­de­ren Fähig­kei­ten von Tie­ren und Pflan­zen Erkennt­nis­se für neue lei­stungs­star­ke Tech­no­lo­gien abzuleiten.

Zur Per­son

Prof. Dr. Mar­kus Retsch wur­de 1982 in Augs­burg gebo­ren. Nach sei­nem Abitur in Königs­brunn absol­vier­te er von 2001 bis 2006 den Diplom­stu­di­en­gang Poly­mer- und Kol­lo­id­che­mie an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und erhielt in die­ser Zeit ein Sti­pen­di­um nach dem Baye­ri­schen Begab­ten­för­de­rungs­ge­setz. Wäh­rend eines Aus­lands­se­me­sters am Key Cen­ter for Poly­mer Col­lo­ids an der Uni­ver­si­tät Syd­ney ver­tief­te er sei­ne For­schungs­in­ter­es­sen auf dem Gebiet der Poly­mer- und Kol­lo­id­che­mie. Nach sei­ner Diplom­ar­beit bei Prof. Dr. Axel H.E. Mül­ler über Poly­me­r­bür­sten auf Gol­d­ober­flä­chen an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth war er zunächst am Max-Planck-Insti­tut für Poly­mer­for­schung in Mainz tätig, wo er sich im Rah­men sei­ner Pro­mo­ti­on ins­be­son­de­re mit Fra­gen zur kol­lo­ida­len Selbst­an­ord­nung befass­te. Von 2009 bis 2011 folg­te ein For­schungs­auf­ent­halt am Mas­sa­chu­setts Insti­tu­te of Tech­no­lo­gy (MIT) in den USA, der von der Alex­an­der von Hum­boldt-Stif­tung mit einem Feo­dor-Lynen-Sti­pen­di­um geför­dert wurde.

2012 kehr­te Prof. Retsch mit einem Rück­kehr­sti­pen­di­um der Alex­an­der von Hum­boldt-Stif­tung an die Uni­ver­si­tät Bay­reuth zurück und über­nahm hier eine Juni­or­pro­fes­sur für Poly­me­re Syste­me. Die­se wur­de 2014 dank einer För­de­rung durch die Volks­wa­gen­Stif­tung zu einer Lich­ten­berg-Pro­fes­sur erweitert.

ERC-For­schungs­prei­se an der Uni­ver­si­tät Bayreuth

In den ver­gan­ge­nen Jah­ren sind bereits meh­re­re Wis­sen­schaft­ler der Uni­ver­si­tät Bay­reuth mit einem For­schungs­preis des Euro­päi­schen For­schungs­rats aus­ge­zeich­net wor­den. Prof. Dr. Andre­as Fery (Phy­si­ka­li­sche Che­mie; jetzt Leib­niz-Insti­tut für Poly­mer­for­schung, Dres­den) erhielt 2012 einen ERC Start­ing Grant. ERC Advan­ced Grants gin­gen an Prof. Dr. Dirk Schü­ler (Mikro­bio­lo­gie, 2015), Prof. Dr. Fabri­zio Cata­ne­se (Alge­bra­ische Geo­me­trie, 2013), Prof. Dr. Ste­phan För­ster (Phy­si­ka­li­sche Che­mie, 2011), Prof. Dr. David Rubie (Geo­wis­sen­schaf­ten, 2011) und Prof. Dr. Dani­el Frost (Geo­wis­sen­schaf­ten, 2008). ERC Con­so­li­da­tor Grants erhiel­ten Prof. Dr. Bir­te Höcker (Bio­che­mie, 2014; seit 2016 an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth) und Prof. Dr. Chri­stia­ne Wer­ner (Öko­sy­stem­for­schung, 2014; jetzt Uni­ver­si­tät Freiburg).