Faszination Technik Mit kühlender Keramik aus dem 3D-Drucker gegen urbane Hitze 

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie eine Keramikwand aus dem 3D-Drucker dank Verdunstung Räume und Außenbereiche ohne energieintensive Klimatechnik abkühlt.

Steigende Temperaturen und häufigere Hitzeperioden verschärfen das Problem städtischer Hitzeinseln. Forschende des Instituts für Architektur und Medien der TU Graz entwickeln deshalb eine passive Kühllösung: 3D-gedruckte Würfel aus hochporöser Keramik. Sie können sowohl Innenräume als auch die Umgebungsluft im Freien kühlen. 

Bekanntes Prinzip technologisch optimiert

Das Prinzip ist seit Jahrhunderten bekannt: Verdunstet Wasser, entzieht es seiner Umgebung Wärme. Dadurch sinkt die Temperatur der angrenzenden Luft. Tonkrüge und traditionelle Windtürme nutzen diesen Effekt bereits seit Langem. „Der technologische Fortschritt liegt im Einsatz des 3D-Drucks. Damit können wir komplexe, poröse und funktionsoptimierte Geometrien aus Tongemischen herstellen“, erklärt Milena Stavric von der TU Graz. Die Strukturen speichern Wasser und stellen bei geringem Materialeinsatz eine große Verdunstungsfläche bereit.

Wasser gelangt durch Kapillarkräfte in die Keramik und verteilt sich gleichmäßig über die komplexe Geometrie. An der großen Oberfläche verdunstet es kontinuierlich und entzieht der Umgebung Wärme.

Die rund 23 Zentimeter großen Würfel werden zunächst digital entworfen und anschließend aus einer keramischen Tonmischung 3D-gedruckt. Ein Brand bei niedrigen Temperaturen erhält die poröse Materialstruktur. Die eingesetzte Minimalflächen-Geometrie – sogenannte TPMS-Strukturen – vergrößert die Oberfläche bei geringem Volumen. Wasser gelangt durch Kapillarkräfte in die Keramik und verteilt sich gleichmäßig über die komplexe Geometrie. An der großen Oberfläche verdunstet es kontinuierlich und entzieht der Umgebung Wärme.
Für eine weitere Steigerung der Kühlleistung untersucht das Team im „Shape Lab“ bio-inspirierte Materialkonzepte. Dem Ton werden Pilzkulturen und Holzspäne als Nährmedium zugesetzt. Das Myzel, also das fadenförmige Pilzgeflecht, wächst in das Material hinein und bildet ein feines Netzwerk. Beim anschließenden Brennen verbrennen das Pilzmyzel und die Holzspäne. Zurück bleibt ein System aus Mikro- und Makroporen. Es soll die Wasseraufnahme und -verteilung im Inneren der Würfel verbessern.

Temperaturabsenkung im Praxistest

In einem kontrollierten Versuch im heißen Dachgeschoss der TU Graz zeigte sich eine deutliche Kühlwirkung. In unmittelbarer Umgebung eines mit Wasser befüllten Würfels wurde eine Temperaturabsenkung von knapp sieben Grad Celsius gemessen. „Im gesamten Raum war die Kühlwirkung deutlich spürbar“, berichtet Kristijan Ristoski.
Im Rahmen seiner Masterarbeit kombinierte er die Würfel mit einem steuerbaren Wasserkreislauf zu einer Kühlwand. Die Forschenden erproben außerdem weitere Materialmischungen. Dazu gehört unter anderem Schlamm aus dem Neusiedler See, der regelmäßig ausgebaggert werden muss, um die Verlandung des flachen Gewässers zu bremsen. Die Sedimente könnten künftig als Ausgangsmaterial für den 3D-Druck und damit für ressourcenschonende Bauprozesse dienen.

Kühlung ohne hohen Energiebedarf

Die Keramikwände sollen eine ressourcenschonende Ergänzung zu konventionellen Kühlsystemen bieten. Mögliche Einsatzbereiche sind Wohn- und Bürogebäude, Schulen, öffentliche Plätze und Wartebereiche. „Unser Ziel ist es, Kühlung dort bereitzustellen, wo Menschen besonders unter Hitze leiden – etwa in Städten, in denen Bäume nicht überall für ausreichend Kühlung sorgen können“, sagt Milena Stavric. Statt auf energieintensive Klimatechnik setzt das Konzept auf ein natürliches physikalisches Prinzip.

Unser Ziel ist es, Kühlung dort bereitzustellen, wo Menschen besonders unter Hitze leiden.

Milena Stavric, TU Graz

Demonstrationswand in Graz

Die Technologie ist im Museum der Wahrnehmung in Graz zu sehen. Zudem errichtete die TU Graz am Campus Neue Technik in der Stremayrgasse eine freistehende Demonstrationswand aus Ton. Die zwei mal zwei Meter große Wand macht die Funktionsweise und Kühlwirkung der Keramik direkt erlebbar.

Das Projekt „3D-Printed Ceramic Cooling Walls for Sustainable Urban Architecture“ wurde in enger Kooperation mit dem Institut für Bauphysik, Gebäudetechnik und Hochbau der TU Graz realisiert und durch die Austria Wirtschaftsservice GmbH (aws) im Rahmen des Programms „Proof of Concept“ gefördert.