Inspiriert vom Thermoregulationsmechanismus von Pappelblättern hat ein Forschungsteam des KAIST erfolgreich einen Latentstrahlungsthermostat auf Basis biomimetischer Hydrogele entwickelt. Dieses biomimetische Hydrogelmaterial ahmt die natürlichen Strategien von Pflanzen zur Anpassung an Umweltveränderungen nach und bietet so eine neuartige passive Wärmemanagementlösung zur Energieeinsparung in Gebäuden. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift *Advanced Materials* veröffentlicht.
Das Forschungsteam wurde gemeinsam von Professor Song Young-min vom Fachbereich Elektrotechnik des KAIST und Professor Kim Dae-hyung von der Seoul National University geleitet. Ihr Latentstrahlungsthermostat nutzt eine Kompositstruktur aus biomimetischem Hydrogel, das Lithiumionen und Hydroxypropylcellulose in ein Polyacrylamidnetzwerk integriert. Dieses biomimetische Hydrogel kann je nach Umgebungsbedingungen autonom zwischen vier Wärmemanagementmodi umschalten und so eine intelligente Regulierung von Kühlung und Heizung ermöglichen.
Hinsichtlich des Wirkmechanismus des Materials regulieren Lithiumionen die Wasserkondensation, während Hydroxypropylcellulose die Lichtdurchlässigkeit durch einen Phasenübergang steuert. Bei steigender Umgebungstemperatur aggregieren die Hydroxypropylcellulose-Moleküle, wodurch das Material undurchsichtig wird und seine Sonnenlichtreflexion erhöht wird. Bei niedrigen Temperaturen kehrt das Material in seinen transparenten Zustand zurück und gibt durch Wasserkondensation latente Wärme ab. Dieses biomimetische Hydrogel zeigt eine ausgezeichnete Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Klimabedingungen.
Experimentelle Daten im Freien belegen, dass dieses biomimetische Hydrogelmaterial im Sommer eine Kühlung von bis zu 3,7 Grad Celsius und im Winter eine Erwärmung von bis zu 3,5 Grad Celsius erzielen kann. Simulationsanalysen von sieben Klimazonen gemäß ASHRAE-Standards zeigen, dass dieses neuartige biomimetische Hydrogel im Vergleich zu herkömmlichen Materialien bis zu 153 Megajoule Energie pro Quadratmeter Gebäudefläche und Jahr einsparen kann. Professor Song Yongmin erklärte: „Die Bedeutung dieser Forschung liegt in der technischen Nachbildung des intelligenten Temperaturregulierungsmechanismus der Natur. Sie bildet die Grundlage für die Entwicklung einer umweltadaptiven Plattform für das Wärmemanagement.“ Diese biomimetische Hydrogeltechnologie zeigt Anwendungspotenzial in Gebäudefassaden, Dachkonstruktionen und temporären Gebäuden und eignet sich besonders für das Wärmemanagement in Umgebungen mit begrenzter Stromversorgung. Durch Anpassung des Materialzusammensetzungsverhältnisses können Forscher die Wärmeregulierungsleistung für unterschiedliche Klimabedingungen optimieren. Die Zugabe von Titandioxid-Nanopartikeln erhöht zudem die mechanische Belastbarkeit des Materials.
Weitere Informationen: Se‐Yeon Heo et al., „Hydrogel thermostats controlled by latent heat and radiative heat, inspired by photoprotected plants“, Advanced Materials (2025).
