Wenn Kiefernzapfen für mehr Schatten sorgen

Mit steigenden Temperaturen wächst der Druck auf klimafreundliche Lösungen für unsere Städte. Forschende aus Freiburg und Stuttgart greifen auf einen Mechanismus zurück, der an Kiefernzapfen erinnert. Ihr nachhaltiges Solar-Gate-System verschattet Räume automatisch – ganz ohne Strom.

Die Sommer werden heißer. Straßen, Fassaden und vor allem auch die Innenräume heizen sich immer mehr auf. Dass es in Büros oder Wohnzimmern zu Saunabedingungen kommt, liegt vor allem an den Fenstern: Rund 60 Prozent der Sonnenstrahlen dringen durch das Glas und sorgen in den Räumen für Wärme, rechnet das Portal Energie-Experten.org vor. Der Bedarf an Systemen, die Sonnenstrahlen blockieren, ist deshalb groß. Eine häufig genutzte Lösung: Lamellen-Jalousien, innen oder außen angebracht. Doch ihre Herstellung ist alles andere als nachhaltig.

Bis zu 70 Kilowattstunden Energie sind notwendig, um etwa einen Kilogramm Aluminium herzustellen, der größte Bestandteil der Lamellen. Gleichzeitig werden dabei rund 16 Kilogramm Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Naturwissenschaftler und Architekten der Universitäten Freiburg und Stuttgart setzen deshalb gemeinsam auf eine klimaschonende Alternative. Ideengeber dafür war ein Millionen Jahre alter Kiefernzapfen.

Solar Gate, lernen von der Natur

Kiefernzapfen öffnen und schließen ihre Schuppen je nach Feuchtigkeit und Temperatur. So sorgen sie dafür, dass ihre Pollen nur bei idealen Bedingungen in die Umgebung gelangen. Warm und trocken muss es sein, damit der Wind die Pollen fortträgt – Nässe würde sie sofort zu Boden fallen lassen. Möglich wird dies, weil der Zapfen aus verschiedenen Geweben besteht, die sich bei Feuchtigkeit unterschiedlich stark ausdehnen. 

Doch wie kommen Wissenschaftler vom Kiefernzapfen zum Sonnenschutz? Der Zufall half dabei ein wenig mit: Als ein Biologe der Universität Freiburg einen 16 Millionen Jahre alten Zapfen untersuchte, stellte er fest, dass sich dieser trotz seines unvorstellbar hohen Alters immer noch öffnete und schloss. Die Gewebeschichten des Fossils reagierten immer noch unterschiedlich stark auf Feuchtigkeit. „Das erfordert kein lebendes Material, das ist ein rein passiver Mechanismus“, erklärt Professor Jürgen Rühe, einer der beteiligten Forscher des Projekts Solar Gate. 

Solar Gate: Zellulose-Module reagieren auf Witterung

Diesen Mechanismus übertrugen die Forscher auf ihr Verschattungssystem. Solar Gate setzt sich aus einzelnen Modulen zusammen. Jedes besteht aus mehreren Schichten, die in einem 3D-Druckverfahren zusammengefügt werden. Eine Lage enthält Zellulose, ein Material, das sich bei Feuchtigkeit ausdehnt. Eine weitere besteht aus einem Kunststoff, der sich nicht ausdehnt. Dazwischen liegt eine Gitterschicht, die die beiden Lagen zusammenhält. Die äußeren Lagen sind quer zueinander gedruckt. Die Folge: Ändert sich die Luftfeuchtigkeit, arbeiten die Schichten in verschiedene Richtungen. Das Modul wölbt sich oder wird wieder flach – ganz ohne Strom. 

Im Jahr 2024, nach zehn Jahren Forschung, wurde aus der Theorie Praxis. Seitdem ist das Solar-Gate-System an der Süd-Glasfront des Forschungspavillons livMatS Biomimetic Shell auf dem Freiburger Unigelände befestigt. Insgesamt 424 Module hängen zwischen zwei Glasscheiben, die als Witterungsschutz dienen. Das System sorgt für angenehme Temperaturen im Inneren des Pavillons und hilft, Energie zu sparen: Im Winter fällt das Sonnenlicht in einem flacheren Winkel ein – die Module wölben sich nach oben, sodass genug Sonne in den Raum einfällt und ihn erwärmt. Es muss weniger geheizt werden. Im Sommer, wenn das Sonnenlicht in einem steilen Winkel einfällt, flachen die Module ab und sorgen für mehr Schatten. Dadurch ist die Raumtemperatur bis zu vier Grad niedriger als bei voller Sonneneinstrahlung. Kühlen ist also meist nicht notwendig.

Die Lage zwischen den Scheiben bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich: Solar Gate funktioniert auch bei stärkerem Wind, wenn klassische Jalousien bereits an ihre Grenzen stoßen. „Sie müssen hochgefahren werden, sobald es zu windig wird, sodass sie die Räume nicht mehr verschatten können“, sagt Rühe. 

Solar Gate: preiswert, nachhaltig und leicht zu warten

Nicht nur, dass Solar Gate ohne Strom funktioniert, bereits in der Herstellung fällt die Klimabilanz des Systems positiv aus. Die Module bestehen zu einem großen Teil aus Zellulose, das aus Holz gewonnen wird. Dieser Werkstoff ist gut verfügbar und relativ günstig. Gerade einmal 1,50 Euro kostet ein Kilogramm, je Quadratmeter Verschattungsfläche benötigen die Forscher nur 650 Gramm Zellulose. Die Produktion steuerten die Wissenschaftler digital parallel auf vier 3D-Druckern: „Innerhalb von nur drei oder vier Tagen waren alle Module fertig – es ging also sehr flott“, sagt der Professor.

Wann Solar Gate auch an einem Bürogebäude oder an einem Wohnhaus zum Einsatz kommt, sei laut Rühe noch nicht sicher. Zwar führen die Forscher inzwischen Gespräche mit potenziellen Vertriebspartnern. „Den Markt überzeugen wir erst, wenn Nutzer gezielt steuern können, wann sie die Module öffnen und schließen wollen“, sagt Rühe. „Der eine möchte das vielleicht bei 22 Grad, die andere erst bei 25 Grad.“ Das ist mit Solar Gate in seiner aktuellen Form noch nicht möglich, da es nur passiv auf die jeweilige Witterung reagiert. 

Aber die Freiburger und Stuttgarter Forscher arbeiten bereits an einer Lösung. Dafür experimentieren die Wissenschaftler mit weiteren Materialien, die zum Beispiel auf Temperaturänderungen reagieren. Rühe: „So können wir den Mechanismus überwinden und die Fassade macht das, was sie passiv eigentlich nicht tun würde – zum Beispiel offenbleiben, obwohl sie sich schließen will.“