Unter der sengenden Sommersonne verbrauchen die Dächer von Gebäuden, die der Hitze ausgesetzt sind, enorme Energiemengen, um die Innenräume kühl zu halten. Die Antwort auf dieses Problem könnte nun in einem kleinen Insekt verborgen sein, das durch die Wälder Südostasiens streift. Einem Forschungsteam der Hongkonger Polytechnischen Universität (PolyU) ist es gelungen, von den Schuppen des weißesten Käfers der Erde – des Cyphochilus-Käfers – inspiriert, ein völlig neues passives Strahlungskühl-Keramikmaterial zu entwickeln. Es erreicht eine solare Reflektivität von 99,6 % und nähert sich damit nahezu dem theoretischen „perfekten" Niveau. Diese bahnbrechende Forschung wurde in der international renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

„Lehren" vom weißesten Weiß der Natur

Das leuchtende Weiß des Cyphochilus-Käfers rührt nicht von Pigmenten her, sondern von der einzigartigen hierarchischen porösen Struktur in seinen Schuppen. Diese Struktur streut Licht äußerst effizient, sogar besser als viele künstlich hergestellte weiße Oberflächen. Der Leiter des Forschungsteams, Professor Wang Zuan-kai, stellvertretender Präsident (Forschung und Innovation) der PolyU, führte sein Team an, um die Geheimnisse dieses biologischen Streusystems zu ergründen.

Die Kerninnovation besteht nicht darin, die chemische Zusammensetzung des Käfers einfach zu kopieren, sondern seine geometrische Logik der Lichtstreuung in ein Keramikmaterial zu „übersetzen". Durch biomimetisches Design gelang es dem Team, eine ähnliche hierarchische poröse Struktur wie die der Käferschuppen aufzubauen und so eine hocheffiziente Streuung des gesamten Sonnenspektrums zu erreichen. Professor Wang erklärte: „Unsere Arbeit an der Kühlkeramik veranschaulicht die enorme Kraft des Lernens von der Natur und schließt eine Forschungslücke im Bereich der passiven Strahlungskühlung mit hoher solarer Reflektivität."

Nahezu perfekte Reflektivität und bahnbrechende Unterdrückung des Leidenfrost-Effekts

Die Leistungsdaten dieser biomimetischen Kühlkeramik sind beeindruckend:

Rekordverdächtige 99,6 % solare Reflektivität: Im Vergleich dazu reflektieren Standard-Dachfarben normalerweise nur etwa 80–90 % des Sonnenlichts. Dieser scheinbar geringe prozentuale Unterschied stellt jedoch eine enorme Kluft im Energieverbrauch dar – eine höhere Reflektivität bedeutet, dass weniger Sonnenwärme vom Gebäude absorbiert wird, was direkt die Abhängigkeit von Klimaanlagen verringert.

Fähigkeit zur Unterdrückung des Leidenfrost-Effekts: Dies ist ein weiterer technischer Höhepunkt der Studie. Wenn eine Flüssigkeit mit einer extrem heißen Oberfläche in Kontakt kommt, die weit über ihrem Siedepunkt liegt, bildet sich eine isolierende Dampfschicht, die die Wärmeübertragung behindert. Die neue Keramik ist jedoch stark hydrophil; Wassertropfen breiten sich sofort aus und dringen schnell in ihre poröse Struktur ein. Die Forschung bestätigte, dass die Keramik während der Verdunstungskühlung den Leidenfrost-Effekt bei Temperaturen über 800 °C unterdrücken kann – das erste Mal, dass dieser Effekt im Bereich passiver Strahlungskühlmaterialien eingehend untersucht wurde.

Ein „Allround"-Material für eine nachhaltige Zukunft

Neben ihren herausragenden optischen und thermischen Eigenschaften bietet diese Kühlkeramik auch einen hohen praktischen Nutzen:

Hervorragende Witterungsbeständigkeit und mechanische Festigkeit: Sie hält Sonneneinstrahlung, Regen und großen Temperaturschwankungen stand und eignet sich daher für den langfristigen Außeneinsatz.

Selbstreinigende Eigenschaften: Trägt zur Aufrechterhaltung ihrer effizienten Kühlleistung bei.

Einfacher Herstellungsprozess: Recycelbarkeit und Farbanpassbarkeit machen sie zu einer kosteneffizienten, langlebigen und vielseitigen Lösung.

Neugestaltung des städtischen Wärmeumfelds und der Energielandschaft

Die Anwendungsperspektiven dieser biomimetischen Technologie sind äußerst vielversprechend und könnten in mehreren Bereichen tiefgreifende Auswirkungen haben:

Grüne Gebäude und städtische Kühlung: Als neues Material für Gebäudefassaden oder Dächer kann sie die Innentemperatur deutlich senken, den Energieverbrauch für Klimaanlagen reduzieren und zur CO₂-Neutralität von Gebäuden beitragen. Ihre effiziente passive Kühlung ist auch für die Minderung des städtischen Wärmeinseleffekts von großer Bedeutung.

Außenanlagen für Strom und Kommunikation: Einsetzbar für das passive Wärmemanagement von kritischen Außenanlagen wie Umspannwerken, Kommunikationsbasisstationen und Rechenzentren, um die Betriebseffizienz und Lebensdauer der Geräte zu verbessern.

Kühlketten-Transport und -Lagerung: Anwendung in Kühlfahrzeugen, Containern oder temporären Lagereinrichtungen, um den externen Wärmeeintrag zu reduzieren und den Kühlenergieverbrauch zu senken.

Wärmemanagement unter extremen Bedingungen: Ihre Fähigkeit, den Leidenfrost-Effekt zu unterdrücken, macht sie potenziell wertvoll für industrielle Hochtemperaturumgebungen und sogar für Wärmekontrollsysteme in Raumfahrzeugen.