Gan Huang; KIT
Für Strom, Wärme und Kühlung benötigen Gebäude bislang meist separate Anlagen. Eine Arbeitsgruppe am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat ein System entwickelt, das alle drei Energieformen gleichzeitig bereitstellt – mithilfe von Sonnenenergie und der Kälte des Weltraums.
Solarzellen liefern Strom, Solarthermie erzeugt Wärme, die Kühlung übernehmen Klimaanlagen, die wiederum Strom verbrauchen. Zur Versorgung von Gebäuden sind unterschiedliche Systeme nötig, die um begrenzten Platz auf Dach- und Fassadenflächen konkurrieren. Eine von einer Arbeitsgruppe um Dr. Gan Huang vom Institut für Mikrostrukturtechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelte Lösung hingegen erzeugt gleichzeitig Kühlung, Strom und Wärme – auf einer einzigen Fläche.
Das hybride Strahlungskühlungs- und Solarsystem kombiniert Photovoltaik und Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC, passive Strahlungskühlung). Die Forschenden sehen Einsatzmöglichkeiten überall dort, wo gleichzeitig Energie und Kühlung notwendig sind. Huang: „Unsere Vision ist, dass Dächer und Fassaden zu aktiven Energieflächen werden, die gleichzeitig Strom, Wärme und Kühlung bereitstellen. Das Konzept könnte auch für energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und Kühlung benötigen.“
Wärmeabstrahlung durch das atmosphärische Fenster
Kernstück des Systems ist eine transparente Schicht aus einer Siliziumdioxidplatte, die mit dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Diese lässt Sonnenlicht nahezu ungehindert passieren und gibt gleichzeitig Wärme als Infrarotstrahlung durch das atmosphärische Fenster an den Weltraum ab – einen Wellenlängenbereich, in dem die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung besonders durchlässig ist. Hinter dieser Schicht trifft das Sonnenlicht gebündelt auf einen kleinen photovoltaisch-thermischen Kollektor. Dieser erzeugt Strom und Wärme.
In Freilandversuchen erreichte der Prototyp gleichzeitig eine Kühlung bis 6,5 K unter die Umgebungstemperatur, eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 W/m2 und Temperaturen von bis zu 110,8 °C für die Wärmenutzung. „Wir zeigen damit, dass ein einziges System gleichzeitig die Sonne und die Kälte des Weltalls nutzen kann“, sagt Huang, der die Forschungsgruppe Hybrid Solar Technologies Lab am KIT leitet.
Gegensätzliche Prozesse verknüpft
Die größte Herausforderung bestand darin, zwei gegensätzliche Prozesse miteinander zu verknüpfen. Während der Solarkollektor möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen soll, muss der Strahlungskühler möglichst kühl bleiben. „Wir haben dieses Problem gelöst, indem das Sonnenlicht zunächst die transparente Kühlschicht durchdringt und erst darunter eine Fresnel-Linse das Licht auf einen deutlich kleineren Solarkollektor bündelt. So bleiben der heiße Solarkollektor und die kühlende Schicht räumlich voneinander getrennt“, erklärt Iván Alberto Cruz García vom Lichttechnischen Institut des KIT, Doktorand und Erstautor der Studie „Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity and heating“ (DOI: 10.1016/j.xcrp.2026.103492). Die Studie knüpft an frühere Arbeiten des Teams an, das 2024 ein transparentes Material vorgestellt hat, das Gebäude passiv kühlt und gleichzeitig Tageslicht durchlässt.
Für Huang steht die Studie, die in Kooperation mit dem Experten auf dem Gebiet der PDRC Professor Shanhui Fan von der Stanford University (USA) entstand, für einen Perspektivwechsel: „Die Sonne ist nicht die einzige Energiequelle am Himmel. Auch die Kälte des Weltraums ist eine erneuerbare Ressource. Wenn wir lernen, die heiße Sonne und die Kälte des Weltalls gemeinsam zu nutzen, können wir eine neue Generation von Energiesystemen erschließen.“
