Dimmer für die Fensterscheibe

Mit Hilfe eines neuen Glasmaterials will ein US-Start-up Scheiben produzieren, die wahlweise sichtbares oder Infrarotlicht blockieren sollen - und nicht teurer sind als eine herkömmliche Doppelverglasung.

„Intelligente“ Fenster, die per Knopfdruck ihre Lichtdurchlässigkeit ändern, sind eine dieser Technologien, die seit den 1990ern Zukunftsreporte schmücken. Wie sie funktionieren, ist bekannt – wie man sie billig herstellt, hingegen nicht. Dieses Manko will Heliotrope Technologies endlich lösen. Das am Lawrence Berkeley National Laboratory ansässige Start-up hat ein kostengünstige Glasmischung gefunden, die selektiv sichtbares oder Infrarotlicht blockieren kann. Fensterscheiben aus dem Material sollen dazu beitragen, Gebäude energieeffizienter zu machen und Geld zu sparen.

Es gibt verschiedene Konzepte, die Lichtdurchlässigkeit von Gläsern zu manipulieren: mittels Wärme in „thermochromen“, Strom in „elektrochromen“ und Licht in „photochromen“ Scheiben. Das US-Labor für erneuerbare Energien NREL schätzt, dass sich mit ihrer Hilfe der Stromverbrauch der USA um fünf Prozent senken ließe. Bislang ist die Technologie über Nischenanwendungen wie abtönbare Spiegel in Autos aber nicht hinausgekommen. Die Scheiben sind einfach zu teuer für eine Massenanwendung.

Ton angebend bei elektrochromen Scheiben sind derzeit die Firmen View und Sage Electrochromics, die kürzlich vom Glasproduzenten Saint-Gobain übernommen wurde. Die Produkte der beiden modulieren aber nur sichtbares Licht. Infratrotstrahlung könnten sie zwar auch beeinflussen, aber immer nur zur selben Zeit wie sichtbares Licht, sagt Delia Milliron, Mitgründerin von Heliotrope und Wissenschaftlerin am LBNL. „Es gibt keine Trennung der Spektren in Abhängigkeit von der Spannung, wie wir das in unseren Gläsern machen können.“

Das Heliotrope-Glas ist das erste, dass die Durchlässigkeit von sichtbarem und Infrarotlicht unabhängig voneinander regelt. Das Glas kann also drei Zustände annehmen, in denen nur sichtbares, nur Infrarot oder beides durchgelassen wird. Ein weiterer Vorteil: Hat man über die Spannung den Phase eingestellt, kann man den Strom wieder abstellen – das Glas verbleibt in dem Zustand, bis man den nächsten Spannungspuls hindurchschickt. Millirons Gruppe am LBNL hat das Material kürzlich im Wissenschaftsjournal Nature beschrieben.

Die Arbeitsweise von elektrochromen Fenstern ähnelt der von Akkus. Zwischen zwei Schichten leitenden Glases befindet sich eine Elektrolytschicht. Je nachdem, wie die Ladungsträger sich durch Laden oder Entladen verteilen, ändert sich die Lichtdurchlässigkeit der Gläser.

Das Glas von Millirons Gruppe besteht aus Indium-Zinnoxid-Nanokristallen (ITN), die in ein Nioboxid-Glas eingebettet sind. Es dient als eine der beiden Elektrodenflächen in der Scheibe. Ein mäßige Spannung lädt die ITN-Kristalle auf, die daraufhin Infrarot-Photonen schlucken. Erhöht man die Spannung, wird das Nioboxid im Glas elektrochemisch reduziert, nimmt also Elektronen auf. Dies blockiert sichtbares Licht, die Scheibe tönt sich. Ein weiterer, wieder schwächerer Spannungspuls schaltet das Material wieder in seinen transparenten Zustand.

Heliotrope verwendet nicht die exakt dieselbe Zusammensetzung wie die LBNL-Forscher. Die firmeneigene Glasmischung sei aber ähnlich, sagt Mitgründer Jason Holt. Er verweist darauf, dass die drei Phasen kurzfristig gar nicht das entscheidende Merkmal seien, mit dem das Start-up punkten könne. Der günstige Herstellungspreis spiele eine viel größere Rolle, um den Markt für Smart Windows zu erweitern, sagt Holt.

Die Produkte von View und Sage seien pro Quadratmeter doppelt so teuer wie eine typische Doppelverglasung für Wohnhäuser. Das Glas werde in einem billigen Ablagerungsverfahren hergestellt und komme ohne Vakuumkammern aus, die bislang für elektrochrome Scheiben nötig sind. Holt geht deshalb davon aus, dass seine Firma mit ihrem Fertigungspreis nicht weit von dem herkömmlicher Scheiben liegen wird.

Bei den bisherigen Amortisationszeiten kaufe sich niemand elektrochrome Scheiben, um seine Energiekosten zu senken, sagt Eric Bloom, Analyst bei Navigant Research und Autor eines Marktreports zu der Technologie. In nächster Zeit würden Käufer sich diese Scheiben nur einbauen, weil die „cool“ seien. In fünf Jahren könnte sich das Geschäftsmodell aber Richtung Energieeinsparung ändern, erwartet Bloom.

Heliotrope Technologies lässt nun erst einmal seine Scheiben von großen Glasproduzenten begutachten. Außerdem wolle man größere Prototypen bauen, sagt Jason Holt. Bisher messen sie nur einige Quadratzentimetern. In zweieinhalb Jahren könnten dann Modelle von der Größe eines Oberlichts möglich sein. Ein erstes marktfähiges Produkt wolle man in drei Jahren fertig haben, so Holt.

Das Paper:
Llordés, Anna et al.: "Tunable near-infrared and visible-light transmittance in nanocrystal-in-glass composites", Nature, Vol. 500, S. 323 – 326, 15 August 2013 (Abstract) ()