Materialforschung: Neuartiges Holz kühlt Gebäude

• Materialforscher haben ein neuartiges Holz entwickelt, das Wärme ins All strahlt und dadurch Gebäude abkühlt.
• Klimaanlagen und Ventilatoren verbrauchen weltweit etwa ein Zehntel des verfügbaren Stroms.
• Mithilfe des Materials ließen sich bis zu 35 Prozent der benötigten Kühlenergie einsparen, schreiben die Forscher in einer Studie im Magazin Science.

Im Universum ist es nicht nur dunkel, sondern auch ausgesprochen frostig, mit Temperaturen bis minus 273 Grad Celsius. Die kosmische Kälte wollen Forscher um Liangbing Hu von der University of Maryland nutzen, um Häuser zu kühlen - mithilfe von Holz und ganz ohne Strom. Dazu haben sie das üblicherweise bräunliche Naturprodukt in ein schneeweißes Material verwandelt, das nicht nur viel Licht reflektiert, sondern auch Wärme ins All strahlt und sich dadurch abkühlt. Sind Dach und Außenwände eines Gebäudes mit dem neuartigen Holz beplankt, sinke der Energieverbrauch fürs Kühlen um 20 bis 60 Prozent, berichteten die Wissenschaftler kürzlich im Magazin Science.

Weltweit ging 2018 etwa ein Zehntel des weltweit verbrauchten Stroms auf das Konto von Klimaanlagen und Ventilatoren. Der Bedarf der Kühlgeräte steigt stetig. Das Material, mit dem Hus Team das Problem lösen möchte, wächst in jedem Wald. "Wir nutzen ganz normales Holz von einem Baum, schneiden es in Wachstumsrichtung und tauchen es in eine Wasserstoffperoxidlösung, um das Pigment Lignin zu entfernen, das dem Holz die braune Farbe gibt", sagt die Co-Autorin der Science-Studie, Tian Li. Das gebleichte Holz, das nunmehr im Wesentlichen aus Zellulose besteht, wird anschließend gepresst. Die weißen, etwa zeitschriftgroßen Pressplatten zeigen noch die charakteristische Holzmaserung, sind aber Li zufolge mehr als achtmal so fest wie natürliches Holz und zugfester als Stahl.

Die strahlend weiße Farbe ist den holztypischen Fasern aus Zellulose zu verdanken. Da sie kreuz und quer liegen, können sie Licht aus den unterschiedlichsten Einfallswinkeln streuen. So heizt sich das Holz durch Sonnenlicht kaum auf. Die eigentlich kühlende Wirkung allerdings beruht auf Schwingungen und Dehnungen der Zellulosemoleküle. Dabei wird Wärmestrahlung in einem Wellenlängenbereich frei, der nicht von Treibhausgasen wie Kohlendioxid oder Wasserdampf geschluckt wird und den Physiker atmosphärische Fenster nennen. So kann das behandelte Holz Wärme ins Weltall schicken, selbst wenn die Sonne scheint. "Es nutzt das kalte Universum als Wärmefalle", sagt Li. Zwar nehme es immer auch Wärme auf, doch die Abgabe sei stärker.

Das ligninfreie Holz spart zwar Energie, ist aber noch nicht wetterfest genug

Wie stark der Effekt ist, testeten die Forscher im trocken-heißen Klima von Cape Creek, Arizona. In der Nacht waren die neuartigen Holzplatten um mehr als neun Grad kühler als die Umgebungstemperatur, um die Mittagszeit noch gut vier Grad. Außerdem berechnete das Team, wie viel Energie für Klimaanlagen sich sparen ließe, wenn Dach und Außenwände eines Gebäudes mit dem kühlenden Holz beplankt wären. Bei Häusern älterer Baujahre bis 2004 sind es danach etwa 35 Prozent, bei besser isolierten, neueren Häusern im Schnitt 20 Prozent. Auch benachbarte Gebäude profitierten von der Kühlung, sodass die Bilanz noch positiver ausfalle, heißt es in der Studie. In sehr heißen und trockenen Gebieten seien die Spareffekte besonders hoch.

"Ich finde es faszinierend, wie viele verschiedene optische und strukturelle Funktionalitäten in diesem Material vereint sind", sagt Aaswath Raman von der University of California. Er präsentierte 2015 im Fachblatt Nature ein Material mit ähnlichem Kühleffekt. Das Sandwich aus Silber-, Siliziumdioxid und Hafniumdioxid ist dünner als ein Haar und kann unter anderem Klima- und Kälteanlagen unterstützen. Erste Tests lieferten Energieeinsparungen von zwölf Prozent. Das sei aber um ein Vielfaches steigerungsfähig, ist Raman überzeugt.

Auch Hus Strahlungskühler aus ligninfreiem Holz ist noch nicht marktreif. Denn mit dem Lignin fehlt dem Material nicht nur ein Farbpigment, sondern auch die Substanz, die Holz wetterfest macht, es vor Feuchtigkeit und UV-Licht schützt und vor mikrobiellem Zerfall. Ohne Imprägnierung geht es deshalb nicht. Die Forscher haben schon verschiedene Behandlungen getestet, mit fluorhaltigen Verbindungen, Kunststoffen und Siliziumdioxid. Noch ist unklar, welches die beste Lösung ist und wie umweltfreundlich sie sein wird. Daran wollen die Forscher als nächstes arbeiten. Und sie wollen zusammen mit einem Start-up bald größere Bauelemente im Freiland testen.