Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat einen Prototyp entwickelt, der gleichzeitig Strom, nutzbare Wärme und Kühlung auf derselben Dachfläche erzeugt. Durch die Kombination von Photovoltaik (PV), solarthermischer Energiegewinnung und passiver Tageszeit-Strahlungskühlung (PDRC) wird der klassische Flächenkonflikt von Gebäudehüllen gelöst. Das System nutzt das atmosphärische Strahlungsfenster, um Wärme als Infrarotstrahlung ins All abzugeben, während gleichzeitig Sonnenlicht für die Strom- und Wärmeerzeugung verwendet wird – ein Ansatz, der besonders für dicht besiedelte Städte und energieintensive Rechenzentren ein hohes Dekarbonisierungspotenzial bietet.
Physikalisches Wirkprinzip: Atmosphärisches Strahlungsfenster
Das Kernprinzip beruht auf der gezielten Emission von Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 8-13 µm. In diesem Band ist die Erdatmosphäre nahezu transparent, sodass thermische Strahlung ungehindert in den Weltraum mit einer Hintergrundtemperatur von etwa 3 K (~-270 °C) abgestrahlt werden kann. Die transparente Kühlschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) und Polydimethylsiloxan (PDMS) emittiert mit einem Emissionsgrad von 0,98 im relevanten Infrarotbereich, lässt jedoch 95 % des sichtbaren Lichts durch. Dadurch bleibt die Sonneneinstrahlung für die darunter liegende PV- und Thermik-Komponente erhalten, während gleichzeitig die Kühlfläche kälter als die Umgebungsluft wird.
Materialbasis: Mikro-photonisches Polymer-Metamaterial (PMMM)
Die Technologie baut auf der 2024 in Nature Communications veröffentlichten Entwicklung eines polymer-basierten Metamaterials (PMMM) des KIT auf. Dieses Material zeichnet sich durch:
- Silizium-Mikropyramiden (≈ 10 µm) mit einer Infrarot-Emissivität von 0,98.
- Eine Lichttransmission von 95 % im sichtbaren Spektrum (gegenüber 91 % bei herkömmlichem Glas).
- Selbstreinigende, superhydrophobe Eigenschaften (Kontaktwinkel 152°), die Staubablagerungen verhindern.
Die genannten Kennzahlen stammen aus der Fachpublikation von Gan Huang et al. (2024) und bilden die Grundlage für die hohe Effizienz der Strahlungskühlung.
Optische Konzentration und thermische Entkopplung mittels Fresnel-Optik
Ein zentrales technisches Problem ist die Vermeidung eines parasitären Wärmeflusses vom heißen Solar-Thermiekollektor zur kühlen Emissionsschicht. Das KIT löst dieses Problem durch:
- Einsatz einer Fresnel-Linse, die das durch die transparente Kühlschicht transmittierte Sonnenlicht auf einen stark verkleinerten photovoltaisch-thermischen (PVT) Absorber fokussiert.
- Räumliche Trennung von Kühlschicht und heißem Kollektor, wodurch die Kühlfläche thermisch isoliert bleibt.
Durch diese Anordnung kann im Freilandtest eine Kühlleistung von 6,5 °C unter der Umgebungstemperatur erreicht werden, während der PVT-Kollektor Temperaturen von bis zu 110,8 °C erreicht – ein klarer Nachweis der erfolgreichen thermischen Entkopplung.
Leistungsdaten und Testergebnisse
Im Freilandversuch, veröffentlicht in Cell Reports Physical Science (2026), wurden folgende Kennzahlen gemessen:
- Elektrische Leistungsdichte: 60,6 W/m².
- Maximale Nutzwärmetemperatur: 110,8 °C.
- Kühleffekt: 6,5 °C unter Umgebungstemperatur.
- Theoretische Strahlungskühlleistung des Metamaterials bei Umgebungstemperatur: 97 W/m² (2024).
Die Messungen bestätigen, dass das System sowohl hohe Wärme- als auch Kühlleistungen erbringen kann, ohne dass die beiden Prozesse einander negativ beeinflussen.
Anwendungspotenziale und Vorteile für Rechenzentren
Rechenzentren benötigen kontinuierlich große Mengen an elektrischer Energie und gleichzeitig effektive Kühlung. Das hybride System bietet:
- Direkte Stromerzeugung vor Ort, wodurch Netzbezüge reduziert werden.
- Reduzierung der Kühllast durch passive Strahlungskühlung, die auch bei Tageslicht funktioniert.
- Bereitstellung von Niedertemperaturwärme (bis 110 °C) für Prozesswärme oder Heizung.
Durch die Integration in Fassaden oder Dächer können Gebäude und Rechenzentren zu aktiven Energieflächen werden, die gleichzeitig drei Energieformen liefern.
Herausforderungen und Risikofaktoren
Obwohl die Ergebnisse vielversprechend sind, gibt es mehrere kritische Punkte, die in zukünftigen Entwicklungsphasen adressiert werden müssen:
- Wetter- und Feuchtigkeitsabhängigkeit: Hohe Luftfeuchtigkeit und Wolkendecke reduzieren die Durchlässigkeit des atmosphärischen Fensters für Infrarotstrahlung, wodurch die Kühlleistung an trüben oder schwülen Tagen sinkt.
- Elektrische Flächenleistung: Mit 60,6 W/m² liegt die elektrische Leistung unter den üblichen Werten moderner monokristalliner PV-Module (200-220 W/m²). Optische Verluste durch die Fresnel-Linse und die transparente Schicht tragen dazu bei.
- Langzeitstabilität von Polymeren: PDMS und SiO₂ können unter dauerhafter UV-Bestrahlung, Hitze und Umwelteinflüssen altern (Versprödung, Trübung). Für eine Lebensdauer von 20-25 Jahren muss die Beständigkeit verbessert werden.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wie funktioniert passive Strahlungskühlung?Die passive Strahlungskühlung strahlt Wärme über das atmosphärische Fenster (8-13 µm) direkt in den Weltraum ab. Da die Atmosphäre in diesem Wellenlängenbereich kaum absorbiert, kann die Oberfläche kühler als die Umgebungsluft werden, ohne dass aktive Energiezufuhr nötig ist.Welche Vorteile bietet das System für Rechenzentren?Rechenzentren erhalten gleichzeitig Strom, Kühlung und nutzbare Wärme von einer einzigen Oberfläche. Das reduziert den Bedarf an externen Energiequellen und senkt die Betriebskosten.Warum stört die bis zu 110 °C heiße Solarthermie nicht die Kühlfunktion?Die Fresnel-Linse bündelt das Licht erst nach Durchdringen der Kühlschicht auf einen kleinen PVT-Kollektor. Durch den räumlichen Abstand und gezielte thermische Isolation wird ein parasitärer Wärmefluss von dem heißen Kollektor zurück zur kühlen Schicht verhindert.
Fazit
Das hybride Strahlungskühlungs- und Solarsystem des KIT demonstriert, dass die gleichzeitige Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte auf einer einzigen Fläche technisch machbar ist. Durch die Kombination einer hochemissiven, transparenten Kühlschicht, einer Fresnel-Linse zur optischen Konzentration und einer soliden Materialbasis aus mikro-photonischen Polymer-Metamaterialien werden die klassischen Zielkonflikte von Photovoltaik und Solarthermie überwunden. Trotz noch bestehender Herausforderungen – insbesondere wetterabhängiger Kühlleistung, geringerer elektrischer Flächenleistung und langfristiger Polymerstabilität – bietet das Konzept ein vielversprechendes Potenzial für die Dekarbonisierung urbaner Energieinfrastrukturen und energieintensiver Anwendungen wie KI-Rechenzentren.
