Fenster, welche sich auf Befehl verändern?!

1.1
Kennen Sie das Problem? Scheint die Sonne im Winter, freut sich die Bauherrschaft, weil so die Kosten für die Heizung minimiert werden können. Doch leider scheint die Sonne im Sommer stärker und dann möchte man, dass die Sonnenstrahlen draussen bleiben. Die Klimaanlage als Alternative kommt nicht in Frage. So stellt sich auch das Herunterlassen der Fensterläden als ein Problem dar, da man dann das Licht anstellen muss. Dadurch wird die Stimmung im Innern nicht besser und es ist gleichzeitig noch eine Energieverschwendung. Um dieses Problem lösen zu können, muss man das Licht bzw. die Sonne besser in den Griff kriegen. Daher investieren Firmen viel Geld in neuartige Fenster, welche sich auf Befehl verdunkeln oder Sonnenschein über winzige Spiegel in die Tiefen von Grossraumbüros ableiten. Die ersten solchen Fenster sind bereits im Handel. Weitere Modelle werden in Zukunft folgen. Doch es gibt verschiedene Systeme, das Licht, welches durch das Fenster hindurch scheint, zu kontrollieren. Drei Möglichkeiten, dieses „Problem“ in den Griff zu bekommen, sind im folgenden Text etwas genauer erläutert.




2.1 Spieglein, Spieglein in den Fenstern ...
Diverse Forscher entwickelten Fenster mit winzigen Spiegeln aus Aluminium. Zwischen den beiden Scheiben einer Doppelverglasung befinden sich pro Quadratzentimeter etwa ca. 2’000 Spiegel, die so klein sind, dass das menschliche Auge sie nur als leichten Grauschleier wahrnimmt. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung kippen sich die Spiegel über winzige Scharniere wie die Lamellen einer Jalousie. Will man mit dem Sonnenschein heizen, werden die meisten Spiegel auf Durchlass gekippt, und nur dort, wo das Licht blendet, sperren einige Spiegel es aus. Im Sommer hingegen werden die Spiegelchen auf Reflexion geschaltet, leiten einen Teil des Sonnenlichts aber an die Zimmerdecke oder dorthin, wo die Nutzer des Raumes gerade Helligkeit brauchen.

Produktion
Die Herstellung einer mikroverspiegelten Scheibe geschieht normalerweise in einem Schichtaufbau. Auf das Glas wird zuerst der transparente elektrische Halbleiter Indiumzinnoxid aufgebracht. Direkt auf dieser Schicht werden dann die hochempfindlichen Mikrospiegel gefertigt. Wie Speicherchips müssen auch sie in staubfreien Reinräumen produziert werden. Im Fenster sind sie dann bestens vor Beschädigung und Dreck geschützt, da sie zwischen den Scheiben der Doppelverglasung sitzen. Wegen der Wärmedämmung ist der Scheibenzwischenraum heute üblicherweise mit Edelgas gefüllt. Das verhindert verschiedene chemische Reaktionen, die die Spiegel schädigen könnten. Der grosse Vorteil zu den herkömmlichen Scharnieren ist, sie verschleissen die winzigen Strukturen beim ständigen Hin- und Herklappen nicht. Die Spiegel sind so klein, dass sie gar nicht kaputt gehen können.

Steuerung
Die Mikrospiegel lassen sich per Knopfdruck oder automatisch steuern. Über ein Personenerkennungssystem mit einer angehängten Sensorsteuerung könnte das Fenster Personen mit einem individuellen Lichtkegel bescheinen, der mit einem mitwandert, wenn sie von einem Schreibtisch zum anderen Schreibtisch laufen. Doch ob sich das lohnt, ist die andere Frage. Vorallem dann, wenn sich mehrere Personen im selben Raum anwesend sind. Diese Technologie ermöglicht noch einen kleinen luxuriösen Gag. Per Steuerung könnte man die Spiegelchen so steuern, dass sie zum Beispiel das Wappen des Kanton Zürichs darstellen können. Ornamente zwischen zwei Scheiben Glas. Ein schöner aber sicherlich teurer Nebeneffekt!

Stromverbrauch
Anscheinend hat man auch keine Bedenken, was die Stromkosten anbelangt. Um die Spiegel von „lichtdurchlässig“ auf „reflektierend“ zu kippen, ist etwa 1 Watt pro Quadratmeter Fensterfläche nötig. Damit die Spiegel ihre Stellung halten, braucht das Fenster nur 0,1 Watt pro Quadratmeter. Wobei zu bedenken ist, dass man schnell an einer Südfassade einige Dutzend Quadratmeter Fensterfläche hat. Leider kommt die Produktion von normal grossen Fensterflächen noch nicht nach. Bis jetzt konnte man nur zentimetergrosse Module herstellen. Daher wird es sicherlich noch einige Jahre dauern bis dieses Produkt marktreif ist und man auch normal grosse Fenster bedienen kann mit dieser Technologie.


2.2 schaltbares Milchglas als Alternative?
Die mikroverspiegelten Fenster sind aber nicht die ersten, die ihre Eigenschaften per Steuerung ändern können. Schaltbares Milchglas gibt es schon seit geraumer Zeit. Es enthält eingebettete Flüssigkristalle in Folien, die das einfallende Licht in alle Richtungen verstreuen, wodurch die Scheibe milchig wirkt. Durch einen elektrischen Impuls (durch die Spannung) richten sich die Kristalle sekundenschnell aus und das Fenster wird wieder transparent bzw. das Sonnenlicht strahlt wieder hinein. Zwei verschiedene Firmen bieten Fenster mit schaltbarer Tönung an. Sie schützen vor Sonne, ohne den Blick nach draussen zu verwehren. Die Fenster tönen sich nur bei einer elektrischen Spannung. Man nennt sie daher wegen ihren elektrischen Spannung „elektrochrom“. Diese Scheiben sind die flexiblen Alternativen zu permanent getönten Sonnenschutzscheiben, die Architekten gerne für grossflächige Glasfassaden einsetzen.


















Funktionsweise

Die Lösung der elektrochromen Scheiben ist eine Beschichtung mit Wolframoxid, das sich bei der Einlagerung von Lithiumionen blau färbt. Das elektrochrome Fenster besteht aus drei Glasscheiben, wobei die Technik zwischen der mittleren und der äusseren Scheibe sitzt. Beide tragen eine leitfähige Beschichtung auf sich. Auf der einen Scheibe wird zu dem eine dünne Schicht Wolframoxid aufgestrichen, auf der anderen ein Mischoxid. Dazwischen befindet sich eine Ionen leitende Kunststofffolie, die Lithiumionen enthält. Wenn an den beiden Scheiben eine elektrische Spannung anliegt, wandern die Lithiumionen zu einem der beiden Oxide – je nach Polung der Scheiben. Lagern sich die Lithiumionen ins Wolframoxid ein, tönt sich die Scheibe – das dauert einige Minuten; bei Umpolung wandern die Ionen wieder zurück und die Verfärbung verschwindet wieder, da das Mischoxid, mit oder ohne Lithiumionen, farblos ist. Doch wie bei einer Sonnenbrille, funktionert es auch bei diesen Fenster nicht. Blickt man mit einer Sonnenbrille in die Sonne, so wird man nach wie vor geblendet. Dasselbe gilt für dieses Prinzip. Im Klartext bedeutet das, dass wenn der TFT Monitor vom Sonnenschein erfasst wird, braucht man noch eine zusätzliche Schicht (Sonnenschutz) für den Monitor, um weiterhin angenehm arbeiten zu können.

Kostenvergleich

Die elektrochromen Fenster kosten laut Angaben des Herstellers etwa CHF 1’400 pro Quadratmeter. Die mikroverspiegelten Fenster dürften, wenn sie dann auf dem Markt sind, noch etwas teurer ausfallen. Da stellt sich die Frage: Lohnt sich die Investition, oder sind die wandelbaren Fenster eher ein Hightech-Gag?



Dauerhaftigkeit

Von konventionellen Fenstern erwartet man, dass sie mindestens 20 bis 30 Jahre halten. Solch eine Prognose über diese Fenster zu stellen, ist schwierig. Man hat noch keine Langzeiterfahrungen gemacht und eine weitere Frage ist, wie lang diese Fenster überhaupt die Sonne wirklich zu 100% „kontrollieren“ können. Ab einem gewissen Alter wird der Wirkungsgrad sicherlich abnehmen. Dadurch stellt sich eine weitere Frage der Sanierung. Nun, es ist noch ein weiter Weg bis zur vollständigen Marktreife dieser beiden verschiedenen Fenstern, doch die dritte Variante ist die sehr wahrscheinlichste kostengünstigste Variante. Und das erst noch ohne Strom.





2.3 wandelbare Fenster ohne Strom, aber noch mit einem Gelbstich ...

Die beste Lösung wäre bei Bedarf nicht gleich das komplette Licht auszusperren, sondern nur die Wärmestrahlung, sprich den infraroten Anteil des Sonnenlichts. Zu diesem Zweck wird Vanadiumdioxid getestet, das eine geringe Menge an Wolfram enthält. Diese Substanz besitzt einen in ihre chemische Struktur eingebauten Schalter für den Schutz vor Wärme. Sie ändert ihre Kristallstruktur bei Temperaturen um die 30° Celsius. Dieser Wandel beeinflusst die Durchlässigkeit für die Wärmestrahlung. Oberhalb von 30° Celsius reflektiert die Substanz infrarotes Licht, bei niedrigeren Temperaturen lässt sie es passieren. Sichtbares Licht hingegen gelangt durch beide Kristallstrukturen hindurch. Die genaue Schalt-Temperatur lässt sich daher über die Menge an Wolfram steuern. Das Vanadiumdioxid, das gar kein Wolfram enthält, wechselt bei knapp 70 Grad Celsius seine Kristallstruktur. Diese wandelbaren Fenster brauchen also keinen Strom. Fensterglas so zu beschichten, ist bereits gelungen, doch die Scheiben bekommen dadurch einen unattraktiven Gelbstich. Daher arbeiten nun verschiedenste Forscher daran, diesen Gelbstich zu beheben. Sollte ihnen dies gelingen, wäre diese Möglichkeit ein sehr ernst zu nehmender Konkurrent zu den oben genannten Varianten. Das Material ist um ein vielfaches günstiger und die Dimensionen der Fenster stellen kein Problem dar. Dazu kommt, dass man keine elektronischen Impulse für die Spannung gebraucht, was sicherlich einer Kosteneinsparung gleich kommt.



3.1 Reflexion des Lernprozesses

Ich habe mich an ein Thema gewagt, dass heutzutage ein sehr zentrales Thema ist, doch es wird kaum darüber offen gesprochen. Man spricht immer jeweils vom U-Wert und vom Material, doch man spricht nie darüber, was der Einfluss des Fensters über die Glasfläche auf die Haustechnik verursacht. Hauptsache die Fenster sind gegen Süden gerichtet. Fenster können aber mehr als nur Fenster sein. Sie könnten unser Leben im Haus angenehmer und einfacher machen.
Genau das ist der Punkt von meiner Arbeit. Ich wollte herausfinden, was „spezielle Fenster“ besser machen können und wie hoch der technische Aufwand ist. Wie immer wollte ich die Kosten etwas vergleichen. Vor allem wollte ich auch zeigen, in welche Richtung es gehen könnte mit den Technologien der Fenster. Es muss nicht immer alles mit einer Folie gelöst werden....
Die drei Fenster stellen einen erhöhten Standard dar mit unterschiedlichen Technologien. Es zeigt eine kleine Übersicht, in welche Richtung es gehen kann mit den Fenstern. Durch diesen Text wollte ich gerne noch etwas mehr Licht ins Dunkle bringen. Und ich denke, die Zukunft wird sicherlich noch einiges bringen in Bezug auf dieses Thema.



4.1 Quellenangaben

http://www.solarserver.de
http://www3.interscience.wiley.com/
http://www.nzz.ch/
http://www.fmf.uni-freiburg.de