3D-gedruckte Keramik gegen urbane Hitze

Wer an einem heißen Tag in der Stremayrgasse am Campus Neue Technik der TU Graz vorbeikommt, kann sich persönlich von der Wirkung der Technologie überzeugen: Dort steht eine zwei mal zwei Meter große Wand aus Keramikelementen, die ihre Umgebung spürbar kühlt. Das Funktionsprinzip braucht weder Kompressor noch Kältemittel, sondern vor allem etwas Wasser. Sobald dieses verdunstet, nimmt es Wärme aus seiner Umgebung auf. Der Effekt ist alt. Tonkrüge nutzen ihn ebenso wie traditionelle Windtürme in heißen, trockenen Regionen. „Wir greifen auf ein Kühlprinzip zurück, das seit Jahrhunderten bekannt ist“, sagt Milena Stavric vom Institut für Architektur und Medien der TU Graz. Neu ist nicht die Physik, sondern die Präzision, mit der sich das Material heute gestalten lässt: Die Forscherinnen und Forscher fertigen die rund 23 Zentimeter großen Würfel aus einer keramischen Tonmischung mittels 3D-Drucker. Nur so entsteht die maßgebliche innere Struktur: ein komplexes System aus Flächen, Hohlräumen und Poren. „Der technologische Sprung liegt im Druck“, sagt Stavric. „Damit können wir Geometrien herstellen, die mit konventionellen Verfahren in dieser Form kaum zu realisieren wären.“

Riesige Oberfläche, wenig Material

Die Würfel werden digital entworfen, gedruckt und anschließend gebrannt. Dabei wird der Brennprozess so gesteuert, dass die für die Wasseraufnahme notwendige Porosität der Keramik erhalten bleibt. Im Inneren arbeitet eine sogenannte TPMS-Geometrie, eine Minimalflächenstruktur, die mit geringem Materialeinsatz eine sehr große Oberfläche erzeugt. „Wir optimieren die Struktur so, dass sie Wasser sehr effizient aufnimmt und verteilt“, erklärt Stavric. So entstehe „bei vergleichsweise geringem Volumen eine enorm große Verdunstungsoberfläche“. Je größer diese Oberfläche, desto besser kommt das Wasser mit der vorbeiströmenden Luft in Kontakt und kühlt sie ab. Dass sich der Effekt messen lässt, zeigte ein Versuch in einem heißen Dachgeschoss der TU Graz. In einem kontrollierten Aufbau wurde in unmittelbarer Umgebung eines wasserbefüllten Würfels eine Temperaturdifferenz von bis zu knapp sieben Grad Celsius gemessen. Kristijan Ristoski, der die einzelnen Elemente im Rahmen seiner Masterarbeit mit einem steuerbaren Wasserkreislauf zu der nun gezeigten Wand kombinierte, berichtet, dass die Abkühlung auch im gesamten Raum deutlich spürbar gewesen sei.

Pilze bauen Poren

Im institutseigenen „ShapeLab“ untersucht das Team darüber hinaus, wie sich die Struktur des Materials noch weiter beeinflussen lässt. Dafür kommt ein ungewöhnlicher Helfer zum Einsatz: Pilzmyzel. Dem Ton werden Pilzkulturen und Holzspäne als Nährmedium beigemengt. Das fadenförmige Myzel wächst durch die Mischung und bildet dabei ein fein verzweigtes Netzwerk. Anschließend wird das Ton-Pilz-Gemisch im 3D-Druck verarbeitet und gebrannt. Pilzmyzel und Holzspäne verbrennen dabei. Zurück bleiben Mikro- und Makroporen. Diese Hohlräume sind funktional erwünscht. Sie erleichtern es dem Wasser, sich im Keramikkörper zu verteilen. Die biologische Komponente bleibt also nicht in der fertigen Wand erhalten; sie dient während der Herstellung als temporärer Strukturbildner. Auch bei der Materialbasis geht das Team über klassische Tonmischungen hinaus. Untersucht wird etwa Schlamm aus dem Neusiedler See. Dort müssen Sedimente regelmäßig ausgebaggert werden, um die Verlandung des flachen Gewässers zu bremsen. Bislang wird ein großer Teil dieses Materials ungenutzt entsorgt. In Graz wird geprüft, ob sich solche Sedimente künftig als Rohstoff für additiv gefertigte Keramikbauteile einsetzen lassen.

Kühlen, wo kein Baum wachsen kann

Die potenziellen Einsatzorte reichen von Wohn- und Bürogebäuden über Schulen bis zu öffentlichen Plätzen und Wartebereichen. Besonders interessant sind Orte, an denen Beschattung oder Begrünung schwierig umzusetzen sind. „Unser Ziel ist, Kühlung genau dort bereitzustellen, wo Menschen besonders stark unter Hitze leiden“, sagt Stavric. Das betrifft vor allem dicht bebaute urbane Räume. „In Städten kann man nicht an jedem Ort einfach einen Baum pflanzen.“ Fassaden, Höfe, Haltestellen oder stark versiegelte Flächen verlangen deshalb nach zusätzlichen Möglichkeiten, Hitze lokal zu mildern. „Wir wollen natürliche Kühlprinzipien nutzen, statt für jede Situation energieintensive Klimatechnik einzusetzen“, sagt Stavric. Gerade darin liegt der konstruktive Reiz des Projekts: Die Wand muss nicht erst mit zusätzlicher Haustechnik zu einem funktionalen Bauteil aufgerüstet werden. Form, Porosität, Wasseraufnahme und Verdunstungsfläche werden bereits bei ihrer digitalen Konstruktion mitgedacht.

Geometrie prägt Funktion

Der 3D-Druck ist deshalb weit mehr als eine neue Produktionsmethode. Er macht es möglich, die innere Geometrie des Bauteils auf seine Aufgabe zuzuschneiden. Wo konventionell gefertigte Keramik meist durch ihre äußere Form definiert ist, lässt sich hier auch das Innenleben gezielt entwerfen. „Wir können mit dem Druck hochkomplexe, poröse und funktionsoptimierte Strukturen herstellen“, sagt Stavric. Damit wird aus einem vergleichsweise einfachen Rohstoff ein technisch definiertes Bauteil. Die Kühlleistung entsteht nicht durch ein einzelnes spektakuläres Material, sondern aus dem Zusammenspiel von Tonmischung, Porengröße, innerer Geometrie, Wasserzufuhr und Umgebungsluft. Noch ist die Grazer Wand ein Demonstrator. Das Projekt „3D-Printed Ceramic Cooling Walls for Sustainable Urban Architecture“ wurde gemeinsam mit dem Institut für Bauphysik, Gebäudetechnik und Hochbau der TU Graz realisiert und von der Austria Wirtschaftsservice GmbH im Programm „Proof of Concept“ gefördert. Planungsbüros und Unternehmen, die Einsatzmöglichkeiten für die Technologie sehen, können mit dem Projektteam Kontakt aufnehmen. Besichtigen lässt sich das Prinzip auch im Museum der Wahrnehmung in Graz. Dort und am Campus zeigt sich, worin die eigentliche Pointe der Entwicklung liegt: Das Team hat das Kühlen nicht neu erfunden. Es hat ein bekanntes physikalisches Prinzip in eine Geometrie übersetzt, die erst durch digitale Fertigung praktikabel wird. „Die Verdunstungskühlung ist alt“, sagt Stavric. „Neu ist, was wir heute mit der Form und der Struktur des Materials daraus machen können.“

Fotos: Lunghammer