3D gedruckte Keramikwand kühlt mit Verdunstung
Eine 3D gedruckte Keramikwand der TU Graz nutzt Verdunstungskühlung, um vorbeiströmende Luft abzukühlen. Im Labor wurden bis zu 6,95 °C weniger gemessen. Für den Einsatz in Gebäuden und Stadträumen sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.
Die zunehmende sommerliche Hitze stellt neue Anforderungen an Gebäude und öffentliche Räume. Neben technischen Kühlsystemen rücken deshalb passive und energiearme Konzepte in den Fokus. Ein Forschungsprojekt der Technischen Universität Graz untersucht dafür eine ungewöhnliche Kombination aus 3D gedruckter Keramik, porösen Strukturen und Verdunstungskühlung. Die bisherige Laboruntersuchung zeigt, dass sich die Luft in unmittelbarer Nähe der feuchten Keramikelemente deutlich abkühlen lässt.
Verdunstung als Prinzip der Kühlung
Das grundlegende Funktionsprinzip ist seit Langem bekannt. Wenn Wasser verdunstet, benötigt es dafür Energie. Diese wird der Umgebung in Form von Wärme entzogen. Dadurch kann sich die vorbeiströmende Luft abkühlen. Einen ähnlichen Effekt nutzen beispielsweise traditionelle Tonkrüge oder Windtürme in trockenen Regionen.
Die Forschenden der TU Graz übertragen dieses Prinzip auf eine neu entwickelte keramische Struktur. Entscheidend ist dabei nicht allein das Material, sondern vor allem dessen Geometrie. Die Keramikelemente bestehen aus einem komplexen Netz miteinander verbundener Hohlräume. Dadurch entsteht eine große innere Oberfläche, an der Wasser und Luft miteinander in Kontakt kommen können.
Die einzelnen Keramikwürfel sind rund 23 Zentimeter groß und werden Schicht für Schicht im 3D-Druck hergestellt. Die Konstruktion ermöglicht es, die Form der Hohlräume gezielt zu beeinflussen und damit die für die Verdunstung relevante Oberfläche zu vergrößern.
TPMS Strukturen verbinden große Oberfläche und geringe Materialmenge
Für die Keramikelemente verwenden die Forschenden sogenannte Triply Periodic Minimal Surfaces, kurz TPMS. Dabei handelt es sich um mathematisch erzeugte Flächen, die sich in allen drei Raumrichtungen wiederholen. Die daraus entstehenden Strukturen bilden ein zusammenhängendes System aus Kanälen und Öffnungen.
Für die Kühlwirkung sind mehrere Eigenschaften relevant. Die Struktur stellt eine große Oberfläche bei vergleichsweise geringem Materialeinsatz bereit. Gleichzeitig kann Luft durch die offenen Kanäle strömen. Die poröse Keramik nimmt Wasser über Kapillarkräfte auf und verteilt es innerhalb des Bauteils.
Auch die Herstellung beeinflusst die Porosität. Die gedruckten Elemente werden bei vergleichsweise niedriger Temperatur gebrannt. Zusätzlich mischt das Forschungsteam Holzspäne in den Ton. Diese verbrennen während des Brennvorgangs und hinterlassen größere Poren. Für feinere Poren wird außerdem mit Pilzmyzel experimentiert. Das fadenförmige Geflecht hinterlässt nach dem Brennen ein Netzwerk aus kleinen Hohlräumen. Die Kombination verschiedener Porengrößen soll den Wassertransport durch das Bauteil unterstützen.
6,95 °C Kühlung unter Laborbedingungen
Die bisher veröffentlichten Messergebnisse zeigen eine maximale Abkühlung der Luft um 6,95 °C. Dabei handelt es sich ausdrücklich um einen Laborwert. Der Versuchsaufbau benötigte weniger als 9 Watt elektrische Leistung. Die TU Graz gibt für den Versuch eine Kühleffizienz von 66,5 Prozent an.
Für die Einordnung des Messwerts ist die Versuchssituation entscheidend. Die Messung der maximalen Abkühlung erfolgte in unmittelbarer Umgebung eines mit Wasser versorgten Keramikwürfels. Eine quantifizierte Absenkung der mittleren Raumtemperatur wurde bislang nicht veröffentlicht. Damit lässt sich aus dem Wert von 6,95 °C nicht ableiten, dass sich ein gesamter Raum um diesen Betrag abkühlen lässt.
Hinzu kommt ein weiterer Faktor: die Luftfeuchtigkeit. Im Versuch stieg die relative Luftfeuchtigkeit laut Projektbeschreibung um 39,04 Prozent. Die Angabe lässt offen, ob damit Prozentpunkte oder eine relative Veränderung gemeint sind. Für die Leistungsfähigkeit von Verdunstungskühlung ist die Luftfeuchtigkeit grundsätzlich relevant. Je trockener die Luft, desto größer ist das Potenzial für weitere Verdunstung.
Witterung und Betrieb bestimmen die Kühlleistung
Für eine technische Anwendung außerhalb des Labors sind deshalb mehrere Einflussgrößen zu berücksichtigen. Dazu gehören Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die Geschwindigkeit der durchströmenden Luft sowie die Größe und Anzahl der Keramikelemente. Auch die verfügbare Wassermenge und der Abstand zwischen der Kühlstruktur und dem Aufenthaltsbereich beeinflussen die tatsächliche Wirkung.
Damit unterscheidet sich das Konzept grundlegend von einer konventionellen Klimaanlage. Die Keramikwand erzeugt keine aktiv geregelte Raumkühlung im klassischen Sinn, sondern nutzt die Verdunstung von Wasser und die Bewegung der Luft. Ihre Wirkung ist daher unmittelbar an die klimatischen und betrieblichen Bedingungen gekoppelt.
Offen sind zudem Fragen, die für einen dauerhaften Einsatz in Gebäuden oder im öffentlichen Raum entscheidend sind. Dazu zählen insbesondere der tatsächliche Wasserverbrauch, die Kühlleistung größerer Wandflächen und die Herstellungskosten. Auch der Umgang mit Verkalkung, Reinigung, Frost und hygienischen Anforderungen muss untersucht werden. Das Forschungsprojekt ist als Proof of Concept angelegt und soll bis September 2026 laufen.
Erste Demonstratoren in Graz
Die Forschung bleibt nicht auf den Laboraufbau beschränkt. Auf dem Campus Neue Technik der TU Graz steht inzwischen eine freistehende Demonstrationswand mit einer Größe von 2 × 2 Metern. Eine weitere Installation befindet sich im Museum der Wahrnehmung in Graz. Als mögliche spätere Einsatzorte nennen die Forschenden unter anderem Gebäude, Schulen, Wartebereiche und öffentliche Plätze.
Für die Planungspraxis ist dabei insbesondere die Übertragbarkeit der Laborergebnisse relevant. Eine Anwendung im Außenraum stellt andere Anforderungen als ein kontrollierter Versuchsaufbau. Sonneneinstrahlung, wechselnde Luftfeuchtigkeit, Wind, Wasserverfügbarkeit und die konkrete Anordnung der Elemente können die Kühlwirkung verändern. Auch die Frage, wie sich einzelne Kühlstrukturen in größere bauliche oder freiraumplanerische Konzepte integrieren lassen, bleibt Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen damit vor allem das technische Potenzial der Kombination aus poröser Keramik, komplexer Geometrie und Verdunstung. Wie stark sich damit tatsächlich ganze Räume oder Außenbereiche temperieren lassen und unter welchen Betriebsbedingungen das System wirtschaftlich und dauerhaft eingesetzt werden kann, sollen weitere Messungen und praktische Anwendungen klären.
