Lassen sich Smart Materials zukünftig in Architektur und Innenarchitektur adaptieren?
Intelligente Werkstoffe reagieren dynamisch auf äußere Einflüsse wie Temperatur, Licht, Druck, chemische-, elektronische- und magnetische Impulse. Ihre Resonanzen können form- oder farbvariabel, licht- oder elektronenemittierend sowie phasenveränderbar und energiespeichernd sein. Die Wissenschaft hat bereits ein vielfältiges Angebot an diversen Materialinnovation bereitgestellt. Die fortschrittliche Materialforschung und –entwicklung begründet sich hauptsächlich mit der Notwendigkeit für die Medizintechnologie und NASA. Heute finden die smart materials mehr und mehr in den Bereichen Architektur und Innenarchitektur Anwendung. Man hat ihre selbstreagierenden Eigenschaften als ökologischere Alternative zur herkömmlichen Sensoren- und Aktorentechnik entdeckt und sieht in ihnen eine Perspektive mit dem Ziel einer Energieeffizienzsteigerung.
Die Klima- und Energiepolitik ist zentrales Thema unseres Zeitalters und sorgt für viele Debatten. Noch nie war das Umweltbewusstsein und Engagement einer Generation so stark ausgeprägt und vertreten. Die Verantwortung und Erwartung des ökologischen wie ökonomischen Fortschritts richten sich vorwiegend an die Ingenieursplanung und Forschung. Neben Themen wie Klimaschutz und Energieeffizienz sind allerdings auch Urbanisierung, demographischer Wandel sowie Internationalisierung mit feinster Sensibilität zu berücksichtigen.
Wo sich die Architektur mit den Zeitbedürfnissen auseinandersetzt, findet die Wissenschaft ständig neue Lösungsansätze die dieser Intension entsprechen. Neben Gebäudeautomatisierungssystemen, welche das Nutzungsverhalten optimieren und so Energieeinsparungsmöglichkeiten bieten, leistet die Materialforschung nun mit der intensiven Untersuchung von smart materials einen weiteren Beitrag für eine nachhaltige Architektur. Das Frauenhofer Institut und das Institut für Microstrukturtechnik in Karlsruhe, nehmen sich dieser Aufgabe verantwortungsvoll an.
Die Internationale Bauausstellung IBA in Hamburg-Wilhelmsburg präsentiert seit dem 23. März 2013 innovative Technologien und zukunftsorientierte Lösungsmodelle. Flexibilität steht im Focus der Architekturidee des 21. Jahrhunderts. Dies zeigt sich einerseits in Projekten mit flexiblen Grundrissen sowie andererseits auch in der Präsentation innovativer Technologielösungen und Materialalternativen, welche sich verändernden Bedingungen anpassen.
Ein nennenswertes Pilotprojekt ist das BIQ-Haus. Der Südost- und Südwestfassade sind über 120 Elemente vorgehängt. Sie bestehen aus zwei doppelverglasten Scheiben, in deren mit Wasser gefülltem Zwischenraum Mikroalgen gezüchtet werden. Algen binden Kohlenmonoxid und verwandeln es in Verbindung mit Sonnenlicht durch Photosynthese zu Traubenzucker. Die Alge als regenerative Energiequelle, verarbeitet bis zu fünf Mal mehr CO2 als vergleichsweise Mais und benötigt zudem kein wertvolles Ackerland. Hieraus ergibt sich der erste positive Synergieeffekt der BIQ- Fassadentechnologie. Zum einen werden klimaschädliche CO2-Emissionen reduziert und zum anderen gleichzeitig ein Grundmaterial zur ökologischen Energieversorgung produziert. Diese Nutzungsmethode orientiert sich an dem ‚Cradle to Cradle-Konzept‘ von Michael Braungart und William McDonough. Das Prinzip beschreibt ein Ressourcen-Nutzungsverfahren, das der Resteverwertung der Natur entspricht. Des Einen Abfall ist des Anderen Nahrung. So entsteht ein biologischer Kreislauf. Dieser zukunftsweisende Lösungsansatz ist gerade für die Industrie interessant. Hier werden die meisten Treibhausgase verursacht. Die Algennutzung könnte den Schadstoffausstoß erheblich reduzieren. Die Sonnenlichteinstrahlung sowie zugeführtes Kohlenmonoxid und andere Nährstoffe, ermöglichen ein rapides Wachstum der Pflanzenkultur. Nachdem sich reichlich Biomasse angesammelt hat, wird sie in einen großen Behälter abgeführt. Der Algenbrei bietet die Möglichkeit der Weiterverarbeitung zu Methangas in einer externen Biogasanlage. So kann die produzierte Algenmasse beispielsweise zur Biogasgewinnung genutzt werden. Doch die Bioreaktorfassade verfügt darüber hinaus über noch weit mehr Nutzungspotential. Das in den Elementmodulen erwärmte Wasser wird anhand von Wärmetauschern als Heizenergie verwendet. Das Wasser wird ständig mit Luftblasen durchmischt. Dies gewährleistet die gleichmäßige Versorgung der Algen mit den Nährstoffen. Zugleich dient dieser Vorgang aber auch der ständig sich wandelnden Fassadenästhetik. Die innovative Fassadentechnologie eröffnet eine neue Dimension für eine nachhaltige Architektur und ist richtungsweisend für eine Zukunft in der Plusenergiehäuser standardisiert werden können.
Das ‚Smart ist grün Haus‘ ist ein weiteres Projekt, welches im Rahmen eines Wettbewerbs der IBA Hamburg realisiert wurde. Auch hier handelt es sich um ein smart material Haus. Teil des Energiekonzepts ist ein interner PCM-Vorhang. Unter PCM versteht man ein Phasenwechselmedium, welches in die Kategorie der thermotopen (TT) smart materials zu zählen ist. Das Material reagiert auf Temperaturdifferenzen, indem es seinen Aggregatzustand reversibel ändert. Diese Eigenschaft macht es zum Latentwärmespeicher. Bei ansteigender Temperatur schmilzt das verwendete Medium und ist in der Lage überschüssige Wärme aufzunehmen. Wird es kühler, erstarrt der Energiespeicher und gibt die zuvor gespeicherte Wärme an den Raum ab. So entsteht ein angenehmes Raumklima.
Ein in der Architektur und Innenarchitektur bisher noch selten erprobtes smart material sind die Formgedächtnislegierungen (FLG), welche vorwiegend in der Automobilbranche und bei der NASA eingesetzt werden. Die Fachhochschule in Kaiserslautern hat 2010 im Rahmen einer Innenarchitekturveranstaltung einen Versuch unternommen die thermostriktiven Metalle für ein intelligentes Produktdesign zu verwenden. Herr Professor Glas ist Initiator sowie Betreuer der experimentellen Veranstaltung und berichtet über das Projekt. Bearbeiter der intelligenten Textilfaltwand ist Herr Jan Polenz, ein Student der Fachhochschule. Absicht der Arbeit war es einen flexiblen Raumteiler zu entwerfen, der sich mit zunehmender Raumtemperatur aufrichtet und so nur bei warmem Raumklima seiner Funktion dient. Realisiert hat er dies, indem er mehrere Metallstäbe aus einer Nickel-Titan-Legierung in ein Textilgewebe eingearbeitet hat. Dieses Produkt wäre auch als Sonnenschutz geeignet. Ist es kühl, bleibt das Textil gefaltet und nimmt weder Sicht noch Platz in Anspruch. Steigt die Temperatur, ist davon auszugehen, dass ein Sonnenschutz nötig wird und er faltet sich automatisch aus.
Den Sonnen- und Sichtschutz betreffend sind in der Architektur auch thermochrome Medienträger von Relevanz. Sie können mit zunehmender Temperatur eine Farbtönung hervorrufen oder sich von Transparent zu Transluzent subsumieren. Die sich selbsttönenden Gläser dienen dem sommerlichen Wärmeschutz und die getrübten Gläser dem Sichtschutz. Sie kommen vorwiegend in Verwaltungsgebäuden und Industriekomplexen zum Einsatz.
Die Auswahl an intelligenten Werkstoffen und ihren Verwendungsmöglichkeiten ist äußerst groß und das Potential ist noch lange nicht ausgeschöpft. Die Tendenzen für viele weitere Innovationen, welche die Architektur und Innenarchitektur bereichern, stehen gut. Axel Ritter befasst sich in seinem Buch ‚smart materials-in architektur, innenarchitektur und design‘ sehr intensiv mit der Adaption von den Werkstoffen in die angeführten Kreativbereiche. Überdies erläutert er sehr nachvollziehbar ihre Funktionen. Man erhält einen Eindruck von der Vielfältigkeit an Materialien und deren Anwendungsmöglichkeiten.
So bewegt sich die Architektur von smart materials über smart buildings zu smart citys und bereitet einen Weg in eine grüne Zukunft.