Null Energiebedarf: adaptive, bionische Gebäudefassaden

29.01.2025

Forscher haben eine adaptive Verschattung entwickelt. Das biobasierte Fassadensystem öffnet und schließt sich je nach Luftfeuchtigkeit, ohne Energie zu verbrauchen. Solche Systeme sollen das Klima in Gebäuden regulieren und gleichzeitig deren Energieeffizienz sowie die Lebensqualität in urbanen Räumen verbessern.

„Solar Gate“ heißt das Forschungsprojekt der Universitäten Stuttgart und Freiburg. Das neuartige System reagiert auf äußere Bedingungen, indem es sich automatisch öffnet oder schließt. Vorbild für den verwendeten Werkstoff ist Zellulose. Das Polysaccharid (Vielfachzucker) ist Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, die bei wechselnder Luftfeuchtigkeit quellen oder schrumpfen – so wie die schuppige Oberfläche eines Kiefernzapfens.

„Wetterreaktive, architektonische Fassadensysteme sind meist auf aufwendige technische Vorrichtungen angewiesen. Unsere Forschung untersucht, wie wir die Reaktionsfähigkeit des Materials selbst durch computerbasierte Planungsmethoden und additive Fertigung nutzbar machen können“, erklärt Achim Menges, Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) an der Universität Stuttgart.

4D-Druck

Die Forscher entwickelten eine computergestützte Herstellungsmethode, um die biobasierte Zellulosefasern mit einem Standard-3D-Drucker herzustellen. In Anlehnung an die Kiefernschuppen wurden dann die Fasern mittels 4D-Druckverfahrens in eine zweischichtige Struktur gebracht (Studie).

Der Vorteil dabei ist das reversible Verhalten der hergestellten Materialien. Hier kommt die vierte Dimension ins Spiel: die Zeit. Bei hoher Luftfeuchtigkeit nimmt der Werkstoff des Verschattungssystems Feuchtigkeit auf und dehnt sich aus. Das heißt, die gedruckten, bionischen Elemente rollen sich ein und öffnen sich. Umgekehrt geben die Zellulosefasern bei niedriger Luftfeuchtigkeit ihre Feuchtigkeit ab und ziehen sich zusammen, wodurch sich die gedruckten Elemente abflachen und schließen.

Einen Prototyp haben die Beteiligten an einem nach Süden ausgerichteten Dachfenster unter realen Wetterbedingungen getestet. Das Ergebnis: Im Winter öffnen sich die Elemente und lassen Sonnenlicht herein, so dass sich der Innenraum erwärmt. Im Sommer schließen sie sich und minimieren die Sonneneinstrahlung. Die Prozesse werden ohne elektrische Energie allein den täglichen bzw. jahreszeitlichen Wetterwechsel gesteuert.