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Montag, 24. September 2018
Ausgabe 6244 | Nr. 267 | 18. Jahrgang
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Kohlenstoffmoleküle senken Heizkosten

# 18.02.2013

Gesteigerte Dämmwirkung an Gebäuden durch breitflächige Zusatzstoffe in Kunststoff-Schäumen. Entwicklungen in der Praxis kostengünstig umsetzbar. Eine Milliarde Förderung für europäisches Forschungsprojekt

Mikroskopische Aufnahme eines Polystyrol-Schaums: Links mit einem herkömmlichen Füllstoff, rechts mit Graphenen als Zusatz. Die Kohlenstoff-Riesenmoleküle verkleinern die Zellen im Schaum erheblich. Foto: Lehrstuhl Polymere Werkstoffe, Uni Bayreuth Mikroskopische Aufnahme eines Polystyrol-Schaums: Links mit einem herkömmlichen Füllstoff, rechts mit Graphenen als Zusatz. Die Kohlenstoff-Riesenmoleküle verkleinern die Zellen im Schaum erheblich. Foto: Lehrstuhl Polymere Werkstoffe, Uni Bayreuth

Eine der wichtigsten Herausforderungen für die Forschung ist die Entwicklung von wärmedämmenden Materialien, mit denen sich die Energieeffizienz von Gebäuden erheblich steigern lässt. Schon seit geraumer Zeit werden beim Hausbau Kunststoff-Schäume verwendet, um Dach und Außenwände besser zu dämmen. Einem Forschungsteam der Universität Bayreuth ist es jetzt gelungen, diese Dämmwirkung mittels neuartiger Materialien auf der Basis von Polystyrol-Schäumen erheblich zu verbessern. Ziel ist ein Beitrag zur drastischen Senkung von Heizkosten.

Verantwortlich für die gesteigerte Dämmleistung sind extrem dünne Kohlenstoffplättchen, sogenannte Graphene, welche die Wissenschaftler dem Polystyrol beigemischt haben. Diese Plättchen entsprechen flächigen Netzwerken von Kohlenstoffatomen, welche in sechseckigen Waben angeordnet sind. Als Riesenmoleküle haben sie eine Ausdehnung in Länge und Breite von rund 350 Nanometern. Aufgrund ihres flächigen Aufbaus erreichen sie allerdings nur eine Höhe von rund 10 Nanometern.

Kleinere Hohlräume, größere Dämmung

Polystyrol-Schäume bestehen aus vielen kleinen hohlen Zellen, die durch Kunststoffwände voneinander getrennt sind. Normalerweise haben diese Zellen einen Durchmesser von rund 100 Mikrometern. Sobald dem Kunststoff die Kohlenstoffplättchen beigemischt werden, verringert sich die Zellgröße auf 25 Mikrometer. Die Folgen für die Dämmwirkung sind enorm. Aufgrund der verkleinerten Zellen wird die Gaswärmeleitung deutlich vermindert, d.h. es fließt eine wesentlich geringere Wärmemenge durch die im Kunststoff-Schaum enthaltene Luft. Zudem kann infrarote Strahlung, die einen hohen Anteil an der aus Wohnräumen entweichenden Wärme ausmacht, den Kunststoff-Schaum kaum noch durchdringen. Sie wird größtenteils reflektiert oder vom Kunststoff absorbiert.

Den beschriebenen Eigenschaften folgend, eignen sich die mit Graphenen versetzten Schäume besonders gut als Dämmmaterialien. Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt, Inhaber des Lehrstuhls für Polymere Werkstoffe an der Universität Bayreuth, sieht einen hohen Nutzen der Entwicklung für die Baubranche: "Die neuen Polystyrol-Schäume lassen sich ohne hohen technischen Aufwand industriell herstellen, so dass künftig im Baubereich erhebliche Einsparungen möglich werden."

Forschungsprojekt stärkt Energieeffizienz

Die wärmedämmenden Kunststoffschäume sind Teil zahlreicher Ergebnisse des auf mehrere Universitäten und Forschungseinrichtungen verteilten Forschungsprojekts "FUNgraphen". Die Leitung des Gesamtprojekts liegt bei Prof. Dr. Rolf Mülhaupt am Freiburger Materialforschungszentrum (FMF), einer Einrichtung der Universität Freiburg. Darüber hinaus sind auch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin und das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg in die Forschungsarbeiten eingebunden. "FUNgraphen" – der Projektname steht für "Functional Graphen" – zielt darauf ab, aus riesigen Kohlenstoffmolekülen neue Materialien zu entwickeln, die in verschiedensten Lebensbereichen den Verbrauch von Energie und Ressourcen senken, ohne Komfort und Lebensqualität zu beeinträchtigen.

In diesem Zusammenhang ist es den Projektpartnern gelungen, einzelne Graphene im Labor zu isolieren und mit Kunststoffmolekülen zu verknüpfen. In der Natur kommen diese Kohlenstoffplättchen nicht vereinzelt vor. Es gibt sie hauptsächlich als Bestandteile des Minerals Graphit, wo die wabenartig vernetzten Kohlenstoffatome in kristallinen Strukturen tausendfach aufeinander geschichtet sind. Das Verfahren, die Graphene aus diesen Strukturen herauszulösen und in Kunststoffe einzubringen, eröffnet neue Perspektiven für Materialien, die das Prinzip der Nachhaltigkeit in Industrie und Wirtschaft erheblich stärken. Dipl.-Ing. Thomas Köppl, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bayreuth, meint: "Die von uns entwickelten Dämmmaterialien sind nur ein Beispiel für das hohe Innovationspotenzial, das in diesem Gemeinschaftsprojekt steckt und noch längst nicht ausgeschöpft ist."

Der Forschungsverbund FUNgraphen

wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und von einem Industriebeirat begleitet. Das Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) ist parallel zur Koordination dieses Projekts auch als Partner in den EU-Spitzenforschungsverbund "Graphene" eingebunden. Kürzlich gab die Europäische Kommission bekannt, dieses Projekt als "Future Emerging Technology Flagship" für die kommenden zehn Jahre mit einer Milliarde Euro fördern zu wollen.

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