Energiesparende Konstruktion, inspiriert von den Flügeln eines schwarzen Schmetterlings – ein neues Projekt von Łukasiewicz

Die Entwicklung neuer passiver Heiz- und Kühlmaterialien, die den Energieverbrauch im Bauwesen deutlich senken können – das ist das Ziel des BIOTHERM-Projekts unter der Leitung des Łukasiewicz-Instituts für Mikroelektronik und Photonik. Als Inspiration dienten den Wissenschaftlern die Flügel eines schwarzen Schmetterlings.

Konkret handelt es sich um die Art Troides magellanus. „Ihre Flügel absorbieren Licht besser als viele moderne, vom Menschen entwickelte Materialien. Die Natur ist uns um Millionen von Jahren voraus – nun versuchen wir, mitzuhalten. Diese Flügel absorbieren 98 % des sichtbaren Lichts, das heißt, sie absorbieren die in diesem Bereich auf sie treffende Strahlung fast vollständig. Diese hohe Absorption ist das Ergebnis der komplexen Mikro- und Nanostruktur der Oberfläche, die wie eine natürliche „Lichtfalle“ wirkt“, heißt es in einer Pressemitteilung des Promotionsbüros des Łukasiewicz-Instituts für Mikroelektronik und Photonik.

Interessanterweise haben diese Schmetterlinge sowohl extrem schwarze als auch sehr helle, fast weiße Farben. „Ihre ungewöhnlichen Farben sind nicht das Ergebnis von Pigmenten, sondern von Mikrostrukturen – speziellen Mustern auf ihren Flügeln. Diese Strukturen sind verantwortlich für ihre Fähigkeit, Sonnenlicht stark zu absorbieren (bei sehr schwarzem Licht) oder stark zu reflektieren (bei sehr weißem Licht), was für die effektive Regulierung der Körpertemperatur dieser Tiere entscheidend ist“, erklärten die Forscher.

Und genau diese Schmetterlinge inspirierten das Forscherteam um Dr. Michał Borysiewicz. An der Forschung sind unter anderem Spezialisten für Nanomaterialien, Thermoelektrik, Physiker, Zoologen und Experten für optische Modellierung beteiligt.

Ihr Hauptziel besteht darin, Beziehungen zwischen der Struktur und den thermischen Eigenschaften von von der Natur inspirierten, anorganischen, sehr schwarzen und sehr weißen Dünnschichtmaterialien im Vergleich zu ihren natürlichen Insektengegenstücken zu finden.

Für Forscher ist dies ein Ausgangspunkt für die Entwicklung dünner, bioinspirierter Beschichtungen: lichtabsorbierend (wie die Flügel schwarzer Schmetterlinge, ideal für passives Heizen) und lichtreflektierend (wie die Schalen weißer Insekten, die die Kühlung wirksam unterstützen).

Die Forscher wollen außerdem die Evolution der Insekten besser verstehen, indem sie aus den entwickelten Materialien im Labor Analoga von Schmetterlingsflügeln herstellen.

Die entwickelten Beschichtungen könnten den Wissenschaftlern zufolge künftig Gebäudeelemente oder Geräte bedecken und energieintensive Klima- oder Heizungsanlagen teilweise ersetzen – ohne dass dafür eine externe Stromversorgung nötig wäre.

Wissenschaftler planen, neue Materialien mittels Magnetronsputtern herzustellen, um Strukturen zu erhalten, die denen von Insekten ähneln – mit denselben optischen und thermischen Eigenschaften. Wie die Forscher in der Informationsschrift erläutern, handelt es sich beim Magnetronsputtern um eine moderne Technik, bei der ein Gas (z. B. Argon) in eine spezielle Kammer eingeleitet und das zu beschichtende Material in die Kammer eingebracht wird. Durch die Einwirkung von Magnetfeld und Spannung treffen Gasionen auf das Material, wobei Atome aus seiner Oberfläche herausgeschlagen werden, die sich auf der beschichteten Oberfläche ablagern und eine sehr dünne, gleichmäßige Schicht bilden.

Es wurde außerdem darauf hingewiesen, dass anschließend Lichtreflexionsmessungen durchgeführt werden sollen. Dank dieser experimentellen Daten, ergänzt durch theoretische Daten, können die Eigenschaften der Strukturen bestimmt werden. Schließlich werden thermoelektrische Module hergestellt, die mit den entwickelten Schichten beschichtet und der Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden, um qualitativ und quantitativ zu bestimmen, ob die entwickelten Beschichtungen Sonnenwärme absorbieren und reflektieren.

Das Projekt wird von einem interdisziplinären Konsortium durchgeführt: Wissenschaftler des Łukasiewicz-Instituts für Mikroelektronik und Photonik, die sich mit Nanomaterialien und Thermoelektrika beschäftigen; Physiker der Fakultät für Physik der Technischen Universität Warschau, die sich auf Strukturcharakterisierung spezialisiert haben; Insektenzoologen des Zentrums für Naturpädagogik der Jagiellonen-Universität sowie Experten für optische Modellierung der Universität Chicago und des Karlsruher Instituts für Technologie. (PAP)

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