Spiel mit versteckter Energie

13.10.2017

Spiel mit versteckter Energie

Neue Ansätze für effiziente Baumaterialien

Durch Zugabe von Phasenwechselmaterialien können Baustoffe Temperaturschwankungen abpuffern und Energie speichern. Das Institut für Werkstoffe im Bauwesen forscht daran, die dabei wirkenden Prozesse erstmals bis in die Mikroebene zu verstehen. Das Ziel: optimierte Baustoffe, die kontrolliert, effizient und umweltverträglich zum Einsatz kommen können.

Christoph Mankel in einem Labor des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen. Bild: Katrin Binner
Christoph Mankel in einem Labor des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen. Bild: Katrin Binner

Christoph Mankel, Doktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, schwenkt eine Flasche mit einer milchigen Flüssigkeit: Winzig kleine Paraffinkugeln in Polymerkapseln, jede nur etwa fünf tausendstel Millimeter groß, schwimmen darin. Die Kügelchen sind unter dem Begriff „Phasenwechselmaterial“ im Handel. So unscheinbar sie sind, haben sie wie alle Phasenwechselmaterialien (PCM) eine vielversprechende Eigenschaft: Wenn sie schmelzen, nehmen sie eine gewisse Menge an Energie auf – zum Beispiel in Form von Wärme – und speichern diese, ohne sich selbst aufzuwärmen. Beim Erstarren geben sie diese Wärmeenergie dann später wieder ab – wie zum Beispiel bei den weit verbreiteten Handwärmern mit Knickplättchen, die sich in heißem Wasser wieder einsatzbereit machen lassen.

Ein zentrales Forschungsthema am Institut für Werkstoffe im Bauwesen ist, wie man diese Eigenschaften von PCM auch in Baustoffen und Bauelementen steuern und kontrolliert nutzbar machen kann. „Wir wollen diesen Werkstoff wirklich bis in die Mikroebene hinein verstehen und dann über Upscaling unsere Erkenntnisse auf den Makrobereich übertragen“, sagt Professor Eddie Koenders, der das Fachgebiet seit 2014 leitet. Betonwände mit PCM könnten Temperaturschwankungen abpuffern und damit das Klima im Gebäudeinneren stabilisieren.

Doch wie viel PCM kann man in Beton einsetzen, bis es kritisch wird und Stabilität und Dauerhaftigkeit leiden? Bis zu welcher Stelle in einer dicken Wand dringt Wärme ein, sodass der Einsatz der relativ teuren PCM noch sinnvoll ist? Wie ist die Wärmespeicherfähigkeit der PCM-Baustoffsysteme? Mit diesen Fragen beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Und: Welche Materialien setzt man als PCM ein? In diesem Zusammenhang forscht das Team im Rahmen eines internationalen Projektes an ,Bio-PCM' zum Beispiel aus pflanzlichen Rohstoffen. „Das ist ein neues Feld“, sagt Koenders. „Wir möchten PCM auf Dauer unabhängig vom Erdöl machen.“ In Entwicklung ist auch ein nachhaltiges Speichergranulat, mit dessen Hilfe ein höherer Anteil an PCM in Beton eingeschleust werden könnte.

Expertise breit gestreut

Das Institut bewegt sich im Grenzbereich zwischen Grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler pflegen den Austausch mit der Industrie. Im kommenden Frühjahr steht so zum Beispiel ein Mini-Symposium an. Und das Institut bringt seine Expertise auch in den DIN-Normenausschuss Materialprüfung ein, in einer Untergruppe, die sich mit thermischen Analysen von PCM befasst, für die es bislang noch keine Normen gibt. „Diese sind auch für die Forschung enorm wichtig“, sagt Koenders.

Um Mikro- und Makroebenen zusammenzubringen, greifen bei den Projekten am Institut Experimente, Analysen und Simulationen ineinander. Ein Rundgang durch die Labore offenbart die Bandbreite der Forschungsarbeiten: ein Mörtel- und Betonlabor, in dem im Realmaßstab gearbeitet wird, ein Makrolabor, in dem mechanische Materialkennwerte bestimmt oder Prüfkörper hergestellt werden können, und ein Mikrolabor mit modernster Analysetechnik. Erst vor kurzem komplettierte ein Rasterelektronenmikroskop die Ausstattung, das auch atmosphärische Bedingungen simulieren kann. „Wir haben fantastische Möglichkeiten“, erklärt Koenders. „Hier können wir international auf Spitzenniveau mitspielen.“

Für komplexe Simulationen greifen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bisweilen auf die Kapazitäten des Lichtenberg-Hochleistungsrechners zurück und werden in den nächsten Jahren durch einen Kollegen aus Argentinien in ihrer Forschung ergänzt. „So werden wir letztlich genaue Vorhersagen über das Verhalten von im Bau eingesetzten Materialien treffen können und diese im bauphysikalischen Sinn optimieren“, sagt Mankel. Vieles an den Eigenschaften von PCM lässt in puncto Klimaschutz aufmerken. Und so sieht Koenders das Thema als selbstverständlichen Bestandteil des Schwerpunkts Energie, den er im Institut gesetzt hat: „Ein ganzes Team arbeitet daran, dass PCM in Zukunft effizient und umweltverträglich eingesetzt werden können.“

Humboldt-Stipendiat im Team

Humboldt-Stipendiat Antonio Caggiano (rechts) mit Prof. Eddie Koenders. Bild: Claus Völker
Humboldt-Stipendiat Antonio Caggiano (rechts) mit Prof. Eddie Koenders. Bild: Claus Völker

Von Februar 2017 bis Januar 2019 ergänzt Humboldt-Stipendiat Dr. Antonio Caggiano das Team um Professor Koenders. Der Experte für Finite-Elemente-Modelle kommt von der Universität Buenos Aires. Er ist das Bindeglied, um die Forschungen des Fachgebiets auf der Mikroebene für den Praxiseinsatz zu validieren und das Potenzial von Phasenwechselmaterialien auszuloten: „Ich simuliere das Verhalten von Phasenwechselmaterialien in energiesparenden Bauelementen, um Lösungen für Smart Cities zu entwickeln, die möglichst geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben.“

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