Smart Materials in Architektur, Innenarchitektur und Design 9783764382667, 9783764373269

Table of contents :
vorwort
trends und entwicklungen
innovative materialien und produkte
EIGENSCHAFTSVARIIERENDE SMART MATERIALS
FORMVARIIERENDESMARTMATERIALS
thermostriktive smart materials
THERMAL EXPANSION MATERIALS (TEM) / DEHNSTOFFE (DS) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
THERMOBIMETALLE (TB) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
FORMGEDÄCHTNIS-LEGIERUNGEN (FGL) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
elektroaktive smart materials
ELEKTROAKTIVE POLYMERE (EAP) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
FARB- UND OPTISCH VARIIERENDE SMART MATERIALS
photochrome smart materials
PHOTOCHROME MATERIALIEN (PC) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
thermochrome und -trope smart materials
THERMOCHROME/-TROPE MATERIALIEN (TC, TT) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
elektrochrome und -optische smart materials
ELEKTROCHROME/-OPTISCHE MATERIALIEN (EC, EO) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
ADHÄSIONSVARIIERENDE SMART MATERIALS
photoadhäsive smart materials
TITANDIOXID (TiO2) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
ENERGIEAUSTAUSCHENDE SMART MATERIALS
LICHTEMITTIERENDE SMART MATERIALS
photolumineszierende smart materials
FLUORESZENZ > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
PHOSPHORESZENZ > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
elektrolumineszierende smart materials
INJEKTIONS-ELEKTROLUMINESZENZ | LIGHT-EMITTING DIODES (LED) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
DICKSCHICHT-ELEKTROLUMINESZENZ | ELECTROLUMINESCENT MATERIALS (EL) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
POLYMER-/SMALL-MOLECULES-ELEKTROLUMINESZENZ | ORGANIC LIGHT-EMITTING DIODES (OLED) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
STROMGENERIERENDE SMART MATERIALS
photoelektrische smart materials
FARBSTOFF-SOLARZELLEN (DYE SOLAR CELLS, DSC) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
thermoelektrische smart materials
THERMOELEKTRISCHE GENERATOREN (TEG) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
piezoelektrische smart materials
PIEZOELEKTRISCHE KERAMIKEN/POLYMERE (PEK, PEP) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
ENERGIEAUSTAUSCHENDE SMART MATERIALS
wärmespeichernde smart materials
PHASE CHANGE MATERIALS (PCM) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
MATERIEAUSTAUSCHENDE SMART MATERIALS
MATERIEAUSTAUSCHENDE SMART MATERIALS
gas-/wasserspeichernde smart materials
MINERALISCHE AD-/ABSORBENTIEN (MAd, MAb) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
ABSORBENT/SUPERABSORBENT POLYMERS (AP SAP) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE
Quellen, Bildnachweis

Citation preview

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lfZkmfZm^kbZel in architektur, innenarchitektur und design

Birkhäuser – Verlag für Architektur %DVHOÃ%HUOLQÃ%RVWRQ

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Graphische Gestaltung, Satz und Layout0LULDP%XVVPDQQ%HUOLQ Umschlagidee und -konzeption, Bildrecherche, -beschaffung und -auswahl $[HO5LWWHU%DG1HXHQDKU²$KUZHLOHU Lektorat und Redaktion $QGUHDV0OOHU%HUOLQ Korrektorat0LFKDHO:DFKKRO]%HUOLQ 'LHVHV%XFKLVWDXFKLQHQJOLVFKHU6SUDFKHHUKlOWOLFK ,6%1,6%1;  %LEOLRJUDILVFKH,QIRUPDWLRQ'HU'HXWVFKHQ%LEOLRWKHN 'LH'HXWVFKH%LEOLRWKHNYHU]HLFKQHWGLHVH3XEOLNDWLRQLQGHU'HXWVFKHQ 1DWLRQDOELEOLRJUDILHGHWDLOOLHUWHELEOLRJUDILVFKH'DWHQVLQGLP,QWHUQHWEHU KWWSGQEGGEGH!DEUXIEDU 'LHVHV:HUNLVWXUKHEHUUHFKWOLFKJHVFKW]W'LHGDGXUFKEHJUQGHWHQ5HFKWH LQVEHVRQGHUHGLHGHUhEHUVHW]XQJGHV1DFKGUXFNVGHV9RUWUDJVGHU(QWQDKPH YRQ$EELOGXQJHQXQG7DEHOOHQGHU)XQNVHQGXQJGHU0LNURYHUILOPXQJRGHUGHU 9HUYLHOIlOWLJXQJDXI DQGHUHQ:HJHQXQGGHU6SHLFKHUXQJLQ'DWHQYHUDUEHLWXQJV DQODJHQEOHLEHQDXFKEHLQXUDXV]XJVZHLVHU9HUZHUWXQJYRUEHKDOWHQ(LQH9HU YLHOIlOWLJXQJGLHVHV:HUNHVRGHUYRQ7HLOHQGLHVHV:HUNHVLVWDXFKLP(LQ]HOIDOO QXULQGHQ*UHQ]HQGHUJHVHW]OLFKHQ%HVWLPPXQJHQGHV8UKHEHUUHFKWVJHVHW]HV LQGHUMHZHLOVJHOWHQGHQ)DVVXQJ]XOlVVLJ6LHLVWJUXQGVlW]OLFKYHUJWXQJVSIOLFKWLJ =XZLGHUKDQGOXQJHQXQWHUOLHJHQGHQ6WUDIEHVWLPPXQJHQGHV8UKHEHUUHFKWV ,QGLHVHP%XFKZHUGHQHWZDEHVWHKHQGH3DWHQWH *HEUDXFKVPXVWHU :DUHQ]HLFKHQ Xl QLFKW HUZlKQW:HQQHLQVROFKHU+LQZHLVIHKOWKHL‰WGDV QLFKW GDVV HLQH :DUH RGHU HLQ :DUHQQDPH IUHL LVW $XIJUXQG GHU 9LHO]DKO GHU XQWHUVFKLHGOLFKHQ JHQDQQWHQ0DWHULDOLHQXQG3URGXNWHZDUHLQHMHZHLOLJH 3UIXQJ KLQVLFKWOLFK HLQHV HYHQWXHOO YRUKDQGHQHQ0DUNHQVFKXW]HVQLFKWP|JOLFK,P=X JHHLQHUHLQKHLWOLFKHQ+DQGKDEXQJZXUGHGHVKDOE DXI  GLH 6HW]XQJ YRQ :DUHQ]HLFKHQ ]%Š70  YHU]LFKWHW 'LH 9HUZHQGXQJ GHV &RS\ULJKW=HLFKHQV © LVWDXI GHQ%LOGQDFKZHLVEHVFKUlQNW

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EIGENSCHAFTSVARIIERENDE SMART MATERIALS

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)2509$5,,(5(1'(60$570$7(5,$/6 thermostriktive smart materials



THERMAL EXPANSION MATERIALS (TEM) / DEHNSTOFFE (DS) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



THERMOBIMETALLE (TB) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



FORMGEDÄCHTNIS-LEGIERUNGEN (FGL) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

 

 

elektroaktive smart materials ELEKTROAKTIVE POLYMERE (EAP) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

)$5%81'237,6&+9$5,,(5(1'(60$570$7(5,$/6 photochrome smart materials



PHOTOCHROME MATERIALIEN (PC) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



thermochrome und -trope smart materials



 

THERMOCHROME/-TROPE MATERIALIEN (TC, TT) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

elektrochrome und -optische smart materials ELEKTROCHROME/-OPTISCHE MATERIALIEN (EC, EO) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

  

$'+b6,2169$5,,(5(1'(60$570$7(5,$/6 photoadhäsive smart materials TITANDIOXID (TiO2) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

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109

ENERGIEAUSTAUSCHENDE SMART MATERIALS

 

/,&+7(0,77,(5(1'(60$570$7(5,$/6 photolumineszierende smart materials



FLUORESZENZ > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



PHOSPHORESZENZ > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



INJEKTIONS-ELEKTROLUMINESZENZ | LIGHT-EMITTING DIODES (LED) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



DICKSCHICHT-ELEKTROLUMINESZENZ | ELECTROLUMINESCENT MATERIALS (EL) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



POLYMER-/SMALL-MOLECULES-ELEKTROLUMINESZENZ | ORGANIC LIGHT-EMITTING DIODES (OLED) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

  

 

 

  

173



MATERIEAUSTAUSCHENDE SMART MATERIALS

elektrolumineszierende smart materials



 

67520*(1(5,(5(1'(60$570$7(5,$/6 photoelektrische smart materials FARBSTOFF-SOLARZELLEN (DYE SOLAR CELLS, DSC) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

thermoelektrische smart materials THERMOELEKTRISCHE GENERATOREN (TEG) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

piezoelektrische smart materials PIEZOELEKTRISCHE KERAMIKEN/POLYMERE (PEK, PEP) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

(1(5*,($867$86&+(1'(60$570$7(5,$/6 wärmespeichernde smart materials PHASE CHANGE MATERIALS (PCM) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

0$7(5,($867$86&+(1'(60$570$7(5,$/6 gas-/wasserspeichernde smart materials



MINERALISCHE AD-/ABSORBENTIEN (MAd, MAb) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



ABSORBENT/SUPERABSORBENT POLYMERS (AP, SAP) > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE



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ohkphkm Å'DV*DQ]HLVWPHKUDOVGLH6XPPHVHLQHU7HLOH´ Aristoteles, *384 v. Chr. 'LHVHV%XFKULFKWHWVLFKDQ6WXGLHUHQGH$XVIKUHQGH XQG /HKUHQGH DXV GHQ %HUHLFKHQ $UFKLWHNWXU 'HVLJQ XQG.XQVW$QDOOHGLHDXIJHVFKORVVHQVLQGIULQQRYDWLYH 7HFKQLNHQ DXI  GHU 6XFKH QDFK QHXHQ ]XNQIWLJ HLQVHW]EDUHQ0DWHULDOLHQXQG3URGXNWHQRGHUGLHVLFK HLQIDFK QXU LQVSLULHUHQ ODVVHQ ZROOHQ .ULWLN 9RUVFKOl JHXQG$QUHJXQJHQLP=XVDPPHQKDQJPLWGLHVHU3XEOLNDWLRQ VLQG DXVGUFNOLFK HUZQVFKW )U +LQZHLVH DXI QHXH0DWHULDOLHQLVWGHU$XWRUGDQNEDU LQIR#ULWWHUDUFKLWHNWHQFRP 'HU$XWRUEHVFKlIWLJWVLFKVHLWPHKUDOV]HKQ-DKUHQPLW GHU(QWZLFNOXQJ XQG $QZHQGXQJ YRQ 6PDUW 0DWHULDOV VRZLHDGDSWLYHQXQGNLQHWLVFKHQ.RQVWUXNWLRQHQLP%HUHLFK H[SHULPHQWHOOHU $UFKLWHNWXU XQG GHV LQQRYDWLYHQ 'HVLJQV1HEHQVHLQHU7lWLJNHLWDOVVHOEVWVWlQGLJHUSUDNWL]LHUHQGHU $UFKLWHNW XQG 'HVLJQHU KDW HU $UWLNHO EHU GDV7KHPDSXEOL]LHUWXQG*DVWYRUWUlJHJHKDOWHQ

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%HVRQGHUHU'DQNDQ den Verlag die Damen und Herren 'U$OH[DQGHU.UDIW+HUUQ'U.DUO+HLQ]+HFNQHU )D*HVLPDW*PE+%HUOLQ'HXWVFKODQG 'U$UQR6HHERWK)UDXQKRIHU,QVWLWXWIU$QJHZDQGWH 3RO\PHUIRUVFKXQJ,$3 3RWVGDP*ROP'HXWVFKODQG 3URI&KULVWLQD.XELVFK+RSSHJDUWHQ'HXWVFKODQG (UKDUG.OHLQ*DOHULH.OHLQ%DG0QVWHUHLIHO 'HXWVFKODQG (XQ6RRN/HH.RUHD 'U*HUKDUG6SDQ)D6$0²6SDQDQG0D\UKRIHU.(* :DWWHQVgVWHUUHLFK 'U+DUWPXW6FKXEHUW)D2.(5&KHPLH*PE+ 'HXWVFKODQG 3URI'U1RUEHUW+DPSS3KLOLSSV8QLYHUVLWlW 0DUEXUJ'HXWVFKODQG 'LSO0DVFK,QJ(7+3DWULFN/RFKPDWWHU (LGJHQ|VVLVFKH0DWHULDOSUIXQJVXQG )RUVFKXQJVDQVWDOW(03$ 'EHQGRUI6FKZHL] 5XWK+DQGVFKLQ=ULFK6FKZHL] sowie die Firmen 'HXWVFKH6WHLQ]HXJ&UHPHU %UHXHU$* 6FKZDU]HQIHOG'HXWVFKODQG *%&/WG2[IRUGVKLUH(QJODQG -DPHV5RELQVRQ/WG+XGGHUVILHOG(QJODQG 0LFURSHOW*PE+)UHLEXUJ'HXWVFKODQG 1RYDOHG$*'UHVGHQ'HXWVFKODQG 3,&HUDPLF*PE+/HGHUKRVH'HXWVFKODQG 3ULQ]2SWLFV*PE+6WURPEHUJ'HXWVFKODQG 7DL\R(XURSH*PE+0QFKHQ'HXWVFKODQG

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LICHT, UV-LICHT

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Weitere nicht näher behandelte elektroaktive Smart Materials sind: ELEKTROSTRIKTIVE PAPIERE ELEKTROSTRIKTIVE KERAMIKEN ELEKTROSTRIKTIVE GRAFTELASTOMERE

Zu den elektrostriktiven Keramiken zählt beispielsweise unpolarisiertes Blei-Magnesium-Niobat (PMN), das auch als Komponente von Piezoelektrischen Keramiken (PEK) eingesetzt wird (siehe auch Kapitel stromgenerierende smart materials: piezoelektrische keramiken/polymere (PEK, PEP), S. 154 ff.).

^e^dmkhZdmbo^iherf^k^!>:I"7fZm^kbZeb^g Elektroaktive Polymere (EAP) sind Polymere, die ihre Form unter dem Einfluss einer elektrischen Stimulation ändern können. Abhängig davon, ob die Formänderung durch elektrostatische Kräfte von elektrischen Ladungen oder durch diffundierte Ionen erfolgt, werden elektronische EAPs und ionische EAP unterschieden. Zu den elektronischen EAPs gehören z. B. dielektrische EAPs, engl. Dielectric EAP, zu den ionischen EAPs z. B. leitfähige Polymere, engl.: Conductive Polymers (CP). Im Bereich der dielektrischen EAPs wurden in den letzten Jahren u. a. handelsübliche PolymerFolien (Acryl-Basis) eingesetzt, die zur Stimulierbarkeit durch ein elektrisches Feld nach dem Prinzip eines nachgiebigen Kondensators aufbaut sind und dafür beidseitig eine elektrisch leitende, nachgiebige Beschichtung z. B. aus Grafitpulver erhalten. „Nach Anlegung einer elektrischen Spannung, wird der Kondensator elektrisch geladen und die elektrostatischen Anziehungskräfte der Elektroden pressen die elastische Polymerfolie in Dickenrichtung zusammen, wodurch sich diese seitlich mitsamt der Beschichtung ausdehnt. Sobald der Kondensator kurzgeschlossen wird, verschwinden die elektrostatischen Kräfte der Elektroden und die elastische Folie kontrahiert zurück in ihre Ausgangsform.“ [6] Durch die gewählte Geometrie, die Art der Einspannung und des Aufbaus können Aktoren aus EAPs erzeugt werden, die sich krümmen, ausdehnen oder zusammenziehen. Durch die Stapelung des Aufbaus, das Prinzip der Wicklung und deren Kombination lassen sich unterschiedlichste aktive, adaptive Strukturen, etwa als Biegeaktoren (Biegewandler) herstellen (vgl. piezoelektrische keramiken/polymere (PEK, PEP), S. 154 ff.). Die Entwicklung von EAPs geht bis 1880 und Röntgens Experimente mit einem Gummiband zurück, das, an einer Seite fixiert, an der anderen mit einem Gewicht beschwert, durch Anlegen eines elektrischen Feldes elektrisch geladen wurde und sich dadurch verkürzte. 1925 folgte die Entwicklung von Elektret, einem piezoelektrischen Polymer, das auf elektrische Gleichstromfelder reagiert (vgl. piezoelektrische keramiken/polymere (PEK, PEP), S. 154 ff.). Später wurden Polymere entwickelt, die auf chemische, thermische, pneumatische, optische oder magnetische Einflüsse reagieren konnten. Bereits 1949 wurden erste Polymere in Form von Kollagen-Filamenten von Katchalsky durch Kontakt mit sauren und alkalischen Lösungen zur Kontraktion und Expansion stimuliert. EAPs waren zunächst aufgrund der geringen Leistungsabgabe von untergeordneter Bedeutung, erst in den letzten 15 Jahren wurden sie durch den Einsatz neuer Materialien und durch zunehmende Erfolge als Smart Materials interessant. Als Materialien bzw. Komponenten werden allgemein u. a. eingesetzt:

Schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise eines Aktors aus einer di-elektrischen Elastomer-Folie und beidseitig aufgebrachten Elektroden (elektronische EAP).

67 | elektroaktive polymere (EAP)

Komponenten elektronische EAPs: DIELEKTRISCHE EAPs

Organische dielektrische Elastomer-Folie: z. B. auf Acryl-Basis oder Silicon-Basis. Anorganische Elektroden aus elektrisch leitenden Partikeln: z. B. Graphit, Ruß. Komponenten ionische EAPs: LEITFÄHIGE POLYMERE (CONDUCTIVE POLYMERS, CP)

Organische Leiter: z. B. Polypyrrol-Basis (z. B. PPy-CF3SO3, PPy-TFSI). Weitere elektronische EAPs sind u. a.: FERROELECTRIC POLYMERS

Electrostrictive Graftelastomere Weitere ionische EAPs sind u. a.: IONIC POLYMER GELS (IPG)

Electrorheological Fluids (ERF) (vgl. S. 38) Für den Bereich der Architektur können u. a. folgende Komponenten-Kombinationen interessant sein: ACRYL-BASIS MIT GRAPHIT

Handelsübliche transparente Folien auf Acryl-Basis mit beidseitiger Beschichtung aus Graphit als Elektroden. +

−

Durch die Verwendung handelsüblicher Komponenten vergleichsweise einfach herstellbar, durch Stapelung und Wicklung Leistungsverstärkung (Steigerung der Aktivierungskräfte) möglich, vergleichsweise große Formveränderungen möglich (Dehnungen bis < 380 %), vielfältig einsetzbar. Nicht in großen Mengen erhältlich, vergleichsweise sehr hohe elektrische Aktivierungsspannung (kV) erforderlich, Folie hygroskopisch.

PPy-CF3SO3

Leitfähiges Composit-Polymer auf Polypyrrol-Basis. +

−

Dielektrische Folie auf Acryl-Basis.

Größeres Arbeitsvermögen als mit TFSI als Komponente realisierbar, durch Stapelung und Wicklung Leistungsverstärkung möglich, vielfältig einsetzbar. Nicht in großen Mengen erhältlich.

68 | formvariierende smart materials

PPy-TFSI

Leitfähiges Composit-Polymer auf Polypyrrol-Basis. +

−

Größere Flexibilität als mit CF3SO3 als Komponente realisierbar, durch Stapelung und Wicklung Leistungsverstärkung möglich, vielfältig einsetzbar. Nicht in großen Mengen erhältlich.

^e^dmkhZdmbo^iherf^k^!>:I"7ikh]ndm^ Weltweit wird gegenwärtig an der Entwicklung und Herstellung von Produkten mit Elektroaktiven Polymeren (EAP) gearbeitet. Eine Herausforderung für die dielektrischen EAPs ist die zur Zeit sehr hohe elektrische Aktivierungsspannung (kV). Ein Lösungsansatz ist hier möglicherweise die zukünftige Reduktion der Foliendicke. EAPs wurden in der Vergangenheit aufgrund des vergleichsweise großen Deformationsvermögens und den geringen Stellkräften meist nur zu Versuchs- und Demonstrationszwecken entwickelt. Bekannt sind in diesem Zusammenhang Versuche, bei denen einseitig eingespannte Biegeaktoren (Biegewandler) aus EAPs als Scheibenwischerblatt eingesetzt wurden. Des Weiteren entstanden aus mehreren Biegeaktoren zusammengesetzte Greifaktoren. In den letzten Jahren wurden diese versuchsweise auch als so genannte künstliche Muskeln eingesetzt. Als zukünftige Anwendungen sind EAPs zur Herstellung adaptiver Flügelprofile und elastischer Rohre denkbar, die lokal ihren Durchmesser ändern könnten.

Technologie Empa: TechnologieDemonstrator einer aufgeblasene dielektrischen Elastomer-Folie und beidseitig aufgebrachten Elektroden (Ballonaktor, elektronische EAPs), nicht aktiviert und aktiviert. | gegenüber: Technologie Empa: Technologie-Demonstrator einer Wippe, die durch zwei EAPMuskelpaare angetrieben wird und durch wechselseitiges Heben einer Metallkugel mechanische Arbeit verrichten kann. | Roboter mit mehreren parallel geschalteten Linearaktoren mit dielektrischen EAPs, Arm-Wrestling Wettbewerb anlässlich des SPIE-Symposiums (EAPAD) 2005 in San Diego. | Gewickelter Linearaktor („artificial muscle“) mit dielektrischen EAPs.

Um EAPs als Stell- und Positionierungsantriebe (Linearaktoren, Biegeaktoren) oder als Komponenten von Bauteilen einsetzen zu können, müssen sie bestehenden Produkte entsprechend angepasst werden, so dass sie vollkommen neue Eigenschaften erhalten. Als Stell- und Positionierungsantriebe sind bisher u. a. Fasern, Folien, Wendeln und Verbundkonstruktionen entwickelt worden, die entlang einer Längsachse durch elektrische Stimulation Arbeit verrichten können. Verfügt das einzusetzende EAP selbst über keine rückstellende Wirkung, kann diese durch eine oder mehrere zusätzliche, rückstellende Komponenten geleistet werden. Zur Leistungsverstärkung werden mehrere solcher Basiskomponenten parallel und/oder seriell geschaltet, indem sie beispielsweise kraftschlüssig und unlösbar miteinander verklebt oder mechanisch aneinander gekoppelt werden. Abhängig von der Anzahl an Produktionsschritten und einer späteren Anwendung sind EAPs als Ausgangs-, Zwischen- und Endprodukte einsetzbar. Als Ausgangs- bzw. Endprodukte aus EAPs sind zur Zeit u. a. entwickelt worden und teilweise erhältlich:

69 | elektroaktive polymere (EAP)

FASERN, GARNE (Z. B. SANTA FE SCIENCE AND TECHNOLOGY)

Sie können aus leitfähigen Polymeren (Conductive Polymers, CP) hergestellt werden, können eingeschränkt wie herkömmliche Garne und textile Fasern verarbeitet werden, abhängig von einer Anwendung können zusätzliche schützende Beschichtungen und/oder Umhüllungen erforderlich werden. +

−

Durch Bündelung als Stell- und Positionierungsantriebe zur Erzeugung von linearen Bewegungen einsetzbar, als Gewebe unterschiedlich einsetzbar. Sonst wie für PPy-CF3SO3 und PPy-TFSI genannt. Nicht überall erhältlich, vergleichsweise geringes Arbeitsvermögen, geringe mechanische Belastbarkeit bei Verwendung einzelner Garne. Sonst wie für PPy-CF3SO3 und PPy-TFSI genannt.

STREIFEN, FLÄCHIGE FOLIEN (Z. B. TECHNOLOGIE EMPA)

Sie können u. a. aus dielektrischen EAPs hergestellt werden, können u. a. einseitig oder beidseitig eingespannt eingebaut werden, können u. a. als hüllenbildende Bauteile eingesetzt werden. +

−

Im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< –20 °C bis > +50 °C), durch Bündelung als Stell- und Positionierungsantriebe zur Erzeugung von linearen Bewegungen einsetzbar, können unterschiedlich zugeschnitten werden. Sonst wie für Acryl-Basis mit Graphit genannt. Keine sehr kleinen Abkantungen oder Faltungen möglich. Sonst wie für Acryl-Basis mit Graphit genannt.

WENDELN (Z. B. TECHNOLOGIE EAMEX)

Sie können u. a. aus leitfähigen Polymeren (Conductive Polymers, CP) hergestellt werden, können einseitig eingespannt eingebaut werden. +

Als Produkte sind gegenwärtig bzw. zukünftig im Bereich der Architektur u. a. einsetzbar: AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

−

Durch Bündelung als Stell- und Positionierungsantriebe zur Erzeugung von kontinuierlichen, linearen Bewegungen und als Federelemente einsetzbar. Sonst wie für PPy-CF3SO3 und PPy-TFSI genannt. Vergleichsweise geringes Arbeits- bzw. Federvermögen, geringe mechanische Belastbarkeit. Sonst wie für PPy-CF3SO3 und PPy-TFSI genannt.

FASERN aus EAPs STREIFEN, FLÄCHIGE FOLIEN aus EAPs WENDELN aus EAPs ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

STELL- und POSITIONIERUNGSANTRIEBE aus bzw. mit EAPs FEDERELEMENTE mit variabler/variierender Federkraft aus bzw. mit EAPs ROBOTER mit Stell- und Positionierungsantrieben mit EAPs NEOPREN-MEMBRAN mit EAP

Auch hier gilt es zu vermeiden, dass die Produkte an ihre maximalen Belastungsgrenzen herangeführt werden. Abhängig vom Produkt und dem Konstruktionsprinzip ist sicherzustellen, dass bei Verwendung mehrerer übereinander liegender dielektrischer oder elektrisch leitender Schichten sich diese nicht etwa durch eintretende Feuchtigkeit voneinander ablösen. Auch darf in dielektrische EAP-Aktoren kein Wasser gelangen, da dadurch die elektrische Durchschlagsfestigkeit der hygroskopischen Folien drastisch reduziert werden könnte.

70 | formvariierende smart materials

^e^dmkhZdmbo^iherf^k^!>:I"7ikhc^dm^ Da erst in jüngster Zeit ausreichend leistungsstarke Produkte mit reversiblen und reproduzierbaren Formveränderungen entwickelt wurden und es sich dabei meist noch um TechnologieDemonstratoren handelt, werden vermutlich in absehbarer Zeit keine Produkte, speziell keine Stell- und Positionierungsantriebe, für einen breiten Einsatz im Bereich der Architektur zur Verfügung stehen. Voraussichtlich werden entsprechende Antriebe zuerst in Versuchen eingesetzt werden, da neue Produkte einer behördlichen Zulassung bedürfen und dies in aller Regel langwierige Prozesse erfordert. Zunächst wird man wohl weiterhin bereits vorhandene Antriebe einsetzen, diese aber gegebenenfalls modifizieren und abhängig von einer zukünftigen Einsatzsituation mit geeigneten Anschlüssen versehen. Vergleichsweise kurzfristig könnten flächenbildende elektrisch deformierbare Bauteile aus EAPFolien realisiert werden, die etwa als Wandbekleidungen oder Tapeten unterschiedliche Strukturen erzeugen könnten.

71 | elektroaktive polymere (EAP)

;ZegZ^GR Mono Smart Material | Monosmarte Anwendung Elektroaktives Smart Material: NEOPREN-MEMBRAN MIT EAPs Von elektromagnetischen Strahlungen abhängige kinetische Konstruktionen

Bryan Boyer, USA Elektromagnetisch sensitive Therme mit kinetischen flächenbildenden Bauteilen | New York, USA (2003) Wie an einem Ort entstehende Aktivität dazu benutzt werden kann, um über deformierbare Wände und Böden den Erlebniswert zu steigern, zeigt Bryan Boyer aus den USA mit seinem 2003 konzipierten Entwurf BalnaeNY, einem Erlebnisbad für den geschäftigen New Yorker SOHO-Distrikt. Bryan Boyer, damals Student am Future Studio, einem Sonderbereich der Rhode Island School of Design, schlägt dazu ein System aus Sensoren und Aktoren vor, das dynamisch auf die unterschiedlichen Aktivitäten im Laufe eines Tages reagiert. Die von Personen und ihren Mobiltelefonen, Kraftfahrzeugen o. ä. erzeugten, unterschiedlichen elektromagnetischen Strahlungen werden ausgewertet und mittels eines elektrisch stimulierbaren Polymerwerkstoffes (EAP) zu kinetischen räumlichen Veränderungen genutzt. Der Werkstoff soll in einen zusätzlichen Zwischenboden aus Neopren nahe der Wasseroberfläche, in den Wänden der Duschkabinen und in die Fassade flächig integriert werden. Beispielsweise wird der Zwischenboden, in den das EAP als Streifen gitterförmig integriert ist, je nach Tageszeit in einem bestimmten Bereich mehr oder weniger aus dem Wasser wellenförmig herausragen und dabei eine begehbare Höhle ausbilden. Die Wände der Duschkabinen können einen spiralförmigen Grundriss annehmen, wodurch sie als Duschkabinen fungieren und Sichtschutz bieten, oder sie können eine Form annehmen, in der sie als Spritzschutz fungieren. Auch die Wände an den Schmalseiten des Beckens bestehen aus EAPs und können aktivitätsabhängig Nischen mit unterschiedlichen Geometrien ausformen, die als private Saunabereiche genutzt werden können. Je nach dem Grad der geometrischen Ausformung ragen die Nischen unterschiedlich weit in den Straßenraum hinein, wodurch die Aktivität auch außerhalb des Gebäudes sichtbar wird.

BalnaeNY: Perspektivische Aufsichten auf Schwimmbecken mit wellenförmig aufund abschwellender Neopren-Membran. | Szenario sich deformierender, in den Straßenraum hinausragender Saunawände. | Schnitt durch Schwimmbecken mit Neopren-Membran. | Blick in das Innere der Höhle. | Private Saunabereiche. | Aufwickelbare Duschkabinen.

_Zk[&ng]himbl\aoZkbb^k^g]^lfZkmfZm^kbZel Zu den farb- und optisch variierenden Smart Materials werden Materialien und Produkte gezählt, die ihre Farbe und/oder ihre optischen Eigenschaften abhängig von einem oder mehreren Stimuli, durch Einwirkung von Licht, Temperatur, Druck, aufgrund eines elektrischen oder magnetischen Feldes, und/oder chemischen Stimulus, reversibel verändern können. Die zur Zeit auf dem Markt erhältlichen farb- und optisch variierenden Smart Materials lassen sich entsprechend der auslösenden Stimuli wie folgt untergliedern: PHOTOCHROME SMART MATERIALS

Werden durch Einwirkung von Licht (elektromagnetische Energie) angeregt ihre Farbe zu ändern. THERMOCHROME, -TROPE SMART MATERIALS

Werden durch Einwirkung von Temperatur (thermische Energie) angeregt ihre Farbe und/ oder optischen Eigenschaften zu ändern. MECHANOCHROME (Z. B. PIEZOCHROME, TRIBOCHROME) SMART MATERIALS

Werden durch Einwirkung von Druck, Zug, Reibung (mechanische Energie) angeregt ihre Farbe zu ändern. ELEKTROCHROME, -OPTISCHE (Z. B. IONOCHROME) SMART MATERIALS

Werden durch Einwirkung eines elektrischen Feldes, von Elektronen, Ionen (elektrische Energie) angeregt ihre Farbe und/oder optischen Eigenschaften zu ändern. CHEMOCHROME (Z. B. GASCHROME, HALOCHROME, SOLVATOCHROME, HYGRO-/ HYDROCHROME) SMART MATERIALS

Werden durch Einwirkung eines chemischen Milieus (chemische Energie), z. B. durch Wasserstoff/Sauerstoff, Salzgehalt (pH-Wert), eine Lösung, Wasser, angeregt ihre Farbe und/oder optischen Eigenschaften zu ändern.

Als Sammelbegriff wird auch die Bezeichnung chromogene Smart Materials verwendet. Von den vorgenannten sind zur Zeit aufgrund der Verfügbarkeit und anderen Faktoren, etwa der zu erwartenden Langzeitstabilität, für architektonische Anwendungen photochrome, thermochrome, -trope und elektrochrome, -optische Smart Materials von Interesse und werden daher nachfolgend näher behandelt. Eine Anwendung zu hygro-/hydrochromen Smart Materials findet sich an anderer Stelle (vgl. S. 24). Erfolge in Weiterentwicklung und Marktplatzierung vorausgesetzt, könnten in naher Zukunft u. a. auch piezochrome, gaschrome und halochrome Smart Materials an Bedeutung gewinnen.

housewarming III: Raum-Installation mit thermochromen Wandund Sitzflächen.

73 | photochrome materialien (PC)

PHOTOCHROME SMART MATERIALS > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE

iahmh\akhf^fZm^kbZeb^g!I +100 °C), mittlere Anzahl an möglichen Färbungs- und Entfärbungszyklen, für präzise Anwendungen geeignet, nicht toxisch.

−

Spezielle Herstellungstechnik erforderlich, vergleichsweise geringe Farbintensität, schwarzer Hintergrund zur Maximierung des Farbeffekts erforderlich, vergleichsweise teuer.

LEUCO DYES (LEUCO-FARBSTOFFE) (Z. B. SPIROPYRANE, FULGIDE)

Siehe Produkte.

Chromatic Technologies Inc.: Thermochrome Farbe (Typ DynaColor, schaltend bei 31°C bzw. bei 45 °C, „Thermochromic UV Screen).

82 | farb- und optisch variierende smart materials

LYOTROPE FLÜSSIGKRISTALLE

Unterschiedliche organische Verbindungen. Die Mesophasen können sich nur in Gemischen ausbilden. Sie reagieren abhängig auf eine Temperaturzunahme durch eine reversible Veränderung der optischen Eigenschaft von annähernd transparent zu transluzent (milchigweiße Trübung). Sie können u. a. in thermotropen Schichten z. B. als Sonnenschutz eingesetzt werden. +

−

In großen Mengen herstellbar, im unteren bis oberen Temperaturbereich einsetzbar (< –30 °C bis > +120 °C), vergleichsweise große Anzahl an möglichen Trübungs- und Enttrübungszyklen, vergleichsweise hohe Transparentwerte im Off-Zustand (ca. 90 %), vergleichsweise großer Teil der NIR- und IR-Strahlung wird reflektiert, nicht toxisch. Fehlende Marktpräsenz.

Darüber hinaus sind zum Einsatz in thermotropen Schichten als Teil entsprechend ausgestatteter Systeme unterschiedliche Phase Change Materials (PCM) interessant, die an der entsprechenden Stelle {vgl. S. 165 ff.) ausführlich behandelt werden. Dort wird ein weiteres thermotropes System vorgestellt.

ma^kfh\akhf^(&mkhi^fZm^kbZeb^g!M 26 °C). Geplant war, dass durch die Konstruktion des Daches sich eine permanent verändernde „Schattenzeichnung“ einstellen würde. Da das Sonnenlicht anders als vorgesehen die Thermowand nicht erreichte, setzte man zur Demonstration der Funktionstüchtigkeit Infrarot-Strahler ein.

Thermowand: Wand mit applizierter thermochromer Farbe in kaltem Zustand (schwarz). | Detailaufnahmen von unterschiedlich warmen Farbschichten.

87 | thermochrome/-trope materialien (TC, TT)

ahnl^pZkfbg`BBB Mono Smart Material | Monosmarte Anwendung Farb- und optisch variierendes Smart Material: LATEX-FARBE MIT THERMOCHROMEN PIGMENTEN Indikation von Temperaturunterschieden durch Farbwechsel

J. Mayer H., Deutschland Raum-Installation | Galerie magnusmüller, Berlin, Deutschland (2005) Seine Arbeiten mit thermochromer Farbe konnte der in Berlin lebende Architekt und Designer J. Mayer H. bereits mehrfach international ausstellen. Eine Variante seiner Installation IN HEAT, die in der Galerie Henry Urbach Architecture, New York, von April bis Mai 2005 zu sehen war, wurde für die Galerie magnusmüller vom 17. September bis 10. November 2005 realisiert. housewarming III erinnert mit seinen intensiv pinkfarbenen, horizontal verlaufenden, abgewinkelten Bändern und eingeschlossenen thermosensitiven, braunen Polygonen auf den weißen Wänden der Galerie an die Farbexperimente Ende der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts. Anders als bei der konsequenten Umsetzung dieses Konzepts bei IN HEAT blieben der Decken- und Fußbodenbereich hier ausgespart. Durch die Möglichkeit zur Interaktion mit dem Raum führt J. Mayer. H. eine Idee Friedrich Kieslers, die Verschmelzung von Architektur und Kunst mit dem Betrachter, fort, indem dieser selbst Teil der Ausstellung wird und durch Berührung der thermosensitiven Bereiche temporäre Abbilder seiner Anwesenheit entstehen. Das thermochrome Farbpigment wurde auf die Körpertemperatur des Menschen eingestellt und bleicht bei Körperkontakt aus. Ursprünglich von der NASA entwickelt, um Überhitzungen an Maschinenteilen anzuzeigen, wird das Pigment zur Applikation im Innenbereich einer herkömmlichen LatexWandfarbe zugegeben. Die Idee, eine entsprechend thermosensitive Farbe im Außenbereich einzusetzen, etwa als selbstdunkelnde Außenfarbe, die sich in den kälteren Jahreszeiten aufgrund des absorbierten Sonnenlichts erwärmen würde, wurde aufgrund zu hoher Herstellungskosten und der nicht gegebenen UV-Beständigkeit verworfen.

Raum-Installation housewarming III.

88 | farb- und optisch variierende smart materials

+80 °C), mittlere bis lange Lebensdauer (ca. 200.000 Schaltzyklen, kleine Formate), vergleichsweise geringe elektrische Schaltspannungen erforderlich (< 5 V DC), für transparente Zustände ist kein permanent angelegtes elektrisches Feld erforderlich, zur Abdunklung geeignet (Lichtdurchlässigkeit im Off-Zustand ca. 75 %, im On-Zustand ca. 8 %), weitgehend lichtecht, können mit konventionellen Glaskonstruktionen eingebaut werden, dadurch saubere Detaillierungen möglich, vergleichsweise leicht applizierbar, ausreichend feuerbeständig, vergleichsweise preiswert in der Herstellung gegenüber auf Flüssigkristallen basierenden Glas-Systemen. Sonst wie für Wolframoxid, Preußisch Blau u. a. genannt. Fehlende Marktpräsenz, nur in geringen Mengen herstellbar, erhöhter Aufwand beim Austausch im Falle z. B. defekter Glas-Scheiben, vergleichsweise schwer, u. a. dadurch hoher Montageaufwand, keine elektrochrome Beschichtung bis zum Rand der Zellen möglich, dadurch u. U. Randabdeckung erforderlich. Sonst wie für Wolframoxid, Preußisch Blau u. a. genannt.

93 | elektrochrome/-optische materialien (EC, EO)

NON FLEXIBLE BZW. FLEXIBLE DISPLAYS MIT EC (TECHNOLOGIE E INK U. A.)

Diese bestehen aus zwischen zwei elektrisch leitfähigen Substraten (z. B. Polyethylenterephthalat (PET), Glas) eingebundenen, gekapselten schwarzen und weißen Pigment-Chips, die in einer klaren Flüssigkeit gelöst sind. Jede einzelne Kapsel ist elektrisch ansteuerbar. Je nach Polarität der beiden elektrischen Gleichstrom-Felder zwischen einer Kapsel kommt es zur unterschiedlichen Verteilung der Pigmente, die im Zusammenwirken den Gesamtfarbeindruck des Systems bestimmen. Durch Umpolung kommt es zur Entfärbung. Das System dient der Anzeige von Grafiken und alphanumerischen Zeichen und kann eingeschränkt wie konventionelle Displays eingesetzt werden. Befindet sich zur Zeit in der Phase der Markteinführung. +

−

Im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< –10 °C bis > +60 °C, abhängig von Komponenten), mittlere bis lange Lebensdauer (ca. 200.000 Schaltzyklen, u. a. abhängig vom System), vergleichsweise geringe elektrische Schaltspannungen erforderlich (< 50 V DC, u. a. abhängig vom System), zur Aufrechterhaltung eines Zustands ist kein permanent angelegtes elektrisches Feld erforderlich. Geringe Marktpräsenz.

Transparente Schichten mit elektrooptischen organischen Verbindungen: GLAS-SYSTEM MIT EO (TYP PRIVA-LITE, TECHNOLOGIE SGG)

Grundtyp (Verbundglas) bestehend aus zwei zwischen Glas-Substraten (2 mm x 5 mm) eingebundenen Verbundfolien, die durch eine elektrooptische Schicht (Film) aus Flüssigkristallen in einer Polymer-Matrix mit beidseitig aufgebrachten, elektrisch leitfähigen Schichten (ITO) miteinander verbunden sind. Nach Anlegen eines elektrischen Wechselstrom-Feldes entsteht aus der zuvor transparenten Schicht aufgrund der unregelmäßigen Orientierung der Kristalle eine transluzente Schicht (milchig-weiße Trübung), die verschiedene Strahlungsspektren des natürlichen Lichts absorbieren und reflektieren kann. Durch Umpolung kommt es aufgrund der regelmäßigen Orientierung der Kristalle zur Enttrübung. Die Transparenz und damit die Absorptions- und Reflektionsleistung ist elektrisch einstellbar. Das Glas-System dient dem aktiven Blickschutz, als Projektionsfläche und kann wie konventionelle Glas-Systeme eingesetzt werden. Maximal erhältliche Abmessung der Scheiben 300 cm x 100 cm. +

−

Technologie E INK u. a.: Technologie-Demonstrator einer flexiblen digitalen Uhr (Citizen). | Technologie-Demonstratoren von flexiblen E Ink Paper Displays (LG. Philips LCD, Polymer Vision).

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (–20 °C bis +60 °C), lange Lebensdauer (seit 15 Jahren im Einsatz), können zusammen mit konventionellen Glaskonstruktionen nebeneinander eingebaut werden, dadurch saubere Detaillierungen möglich, vergleichsweise leicht applizierbar, ausreichend feuerbeständig. Sonst wie für Flüssigkristalle genannt. Vergleichsweise hohe elektrische Schaltspannungen erforderlich (100 V AC, Europa), für transparenten Zustand ist ein permanent angelegtes elektrisches Feld erforderlich, nicht zur Abdunklung geeignet (Lichtdurchlässigkeit im Off-Zustand ca. 76 %), erhöhter Aufwand beim Austausch im Falle z. B. defekter Glasscheiben, vergleichsweise schwer, u. a. dadurch hoher Montageaufwand, keine elektrooptische Beschichtung bis zum Rand der Zellen möglich, dadurch u. U. Randabdeckung erforderlich, teuer in der Herstellung und Anschaffung (zur Zeit ca. 1.700,– EUR/m2 bis 2.000,– EUR/m2, geliefert und eingebaut). Sonst wie für Flüssigkristalle genannt.

94 | farb- und optisch variierende smart materials

Je nach Technologie und eingesetzten EC bzw. EO gelten unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf die Handhabung und Verarbeitung der Produkte. Allgemein ist bei allen glas- und kunststoffgebundenen transparenten Systemen darauf zu achten, dass die Substrate keinen zu starken Spannungen etwa durch Druck aufgrund von unzureichend bemessenen Einbautoleranzen ausgesetzt werden. Auch muss dafür Sorge getragen werden, dass im Bereich der elektrischen Anschlüsse keine Feuchtigkeit auftritt. Einige elektrochrome und -optische Gläser dürfen nicht über Kopf als Dachfenster eingebaut werden. Darüber hinaus sind die angegebenen erforderlichen elektrischen Spannungen einzuhalten und dürfen nicht überschritten werden.

Als Produkte sind gegenwärtig im Bereich der Architektur u. a. einsetzbar: AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

FARBEN mit EC (Technologie E INK) FILME mit EC (Technologie E INK) FILME mit EC (Technologie Gesimat) FILME mit EO (Typ PRIVA-LITE, Technologie SGG) ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

GLAS-SYSTEM mit EC (Technologie Gesimat) GLAS-SYSTEM (Spiegel) mit EC (Typ TMSM, Technologie LBL) POLYMER-SYSTEM mit EC (Technologie E INK) GLAS-SYSTEM mit EO (Typ PRIVA-LITE, Technologie SGG)

95 | elektrochrome/-optische materialien (EC, EO)

^e^dmkh\akhf^(&himbl\a^fZm^kbZeb^g !>H"7ikhc^dm^ Weltweit sind nur wenige Firmen in der Lage, elektrochrome Gläser herzustellen. In Deutschland zählen dazu FLABEG und Gesimat. Da u. a. Gesimat zum jetzigen Zeitpunkt noch keine elektrochromen Systeme in serienmäßiger Produktion hat, sind in Europa anders als bei den elektrooptischen Systemen bisher nur vereinzelte Anwendungen mit elektrochromen Systemen realisiert worden. Eine davon ist das begehbare Glas-Dach über dem zentralen Lesesaal der sächsischen Landesbibliothek Dresden (1996 bis 2002), das von der Arbeitsgemeinschaft S.L.U.B. geplant und mit elektrochromen Gläsern von FLABEG versehen wurde. Diese wurden allerdings mittlerweile gegen konventionelle Gläser ausgetauscht. Dass elektrochrome Gläser auch in Altbauten eingesetzt werden können, zeigt folgendes Beispiel, bei dem zwei entsprechend schaltbare Scheiben in die äußeren Flügelrahmen eines konventionellen Holzkastenfensters mit Hilfe von Kitt eingebaut wurden. Ziel ist es das Langzeitverhalten des Glases unter realen Bedingungen zu testen. Zur Zeit findet als elektrooptisch schaltbares System insbesondere das PRIVA-LITE genannte Glas der Saint Gobain Glass (SGG) international Verbreitung. Neben bisher gefertigten und eingebauten Trennwänden, Türen u.ä., die temporär Räume optisch voneinander separieren, konnte 2004 in Tokio die zur Zeit größte zusammenhängende, elektrooptisch schaltbare Fläche bei einer Fassade realisiert werden.

Technologie Gesimat: Zweiflügeliges Kastenfenster mit elektrochromen Gläsern. | Trennwand mit elektrooptischen Gläsern (PRIVA-LITE): Burnett (SGG). | Display für Nachrichten auf der EXPO 2005 in Japan (E-INK, TOPPAN-KANBAN). | gegenüber: Technologie SGG: Elektrooptisches Glas-System, in transluzentem und transparentem Zustand.

96 | farb- und optisch variierende smart materials

MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE Photoadhäsive Materialien und Produkte sind aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften in der Lage, durch reversible Änderung ihrer Adhäsion auf den Einfluss von Licht zu reagieren. Für den Bereich der Architektur sind zur Zeit das folgende photoadhäsive Material und daraus herstellbare Produkte interessant: TITANDIOXID (TiO2)

mbmZg]bhqb]!MbH+ "7fZm^kbZeb^g Titandioxid (TiO2 ) ist die zur Zeit technisch bedeutendste Titanverbindung, die in der Natur in den Kristallstrukturen (auch als Modifikationen bezeichnet) Rutil, Anatas und Brookit vorkommt. Ausgangsprodukte sind das Titan-Eisenerz Ilmenit, ein schwarz glänzendes Mineral, und das weniger eisenhaltige Titanerz Rutil, die im Tagebau gewonnen werden. TiO2 ist nicht löslich in Wasser, organischen Lösungsmitteln, verdünnten Säuren und Laugen, es ist lichtecht und thermisch stabil (der Schmelzpunkt liegt bei 1855 °C). TiO2 wurde zunächst als Weißpigment eingesetzt, das ab 1909 unter der Bezeichnung KronosTitanweiß in den USA hergestellt wurde. Als Degea-Titanweiß folgte dann 1924 die Produktion in Deutschland, zunächst ausschließlich in der Anatas-, ab 1938 auch in der Rutil-Modifikation. TiO2 wird seit 1917 aus dem Titan-Eisenerz Ilmenit nach dem Sulfatverfahren durch Zugabe von Schwefelsäure gewonnen. Seit 1958 wird auch das Chloridverfahren angewendet, wobei den Erzen Chlor zugegeben wird. Seit 1968 wird TiO2 auch als Lebensmittelergänzung angewendet. Nachdem man seine photokatalytische Wirkung festgestellt hatte, gelang es 1995 in Japan, die Oberflächen von Keramiken entsprechend zu beschichten. Ebenfalls in Japan wurden in den letzten Jahren Papiere und Baumembranen mit photokatalytischem Effekt entwickelt. 2002 kamen erste selbstreinigende Gläser mit TiO2 auf den europäischen Markt. Als Materialien bzw. Komponenten werden allgemein u. a. eingesetzt: MODIFIKATIONEN

Rutil-Modifikation, Anatas-Modifikation. Für den Bereich der Architektur können beide Modifikation interessant sein. RUTIL-MODIFIKATION +

−

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, über vergleichsweise großen Temperaturbereich einsetzbar (< –10 °C bis > + 80 °C, je nach appliziertem Ausgangsmaterial), insbesondere als Weißpigment und als Photokatalysator zur Umwandlung von Schadstoffen und Erzielung eines hydrophilen Effekts einsetzbar, vergleichsweise besseres Deckvermögen gegenüber der Anatas-Modifikation, nicht verbrauchend, nicht toxisch. Nicht überall erhältlich, Effekte sind lichtabhängig, nur ca. 5 % der Sonnenstrahlung (Absorption von Strahlung < 413 nm Wellenlänge) kann genutzt werden.

ANATAS-MODIFIKATION (TETRAGONALE KRISTALLE DES TiO2 ) +

−

TiO2-Pulver.

Als Weißpigment und insbesondere als Photokatalysator zur Umwandlung von organischen Schadstoffen und Erzielung eines hydrophilen Effekts einsetzbar. Sonst wie zuvor genannt. Nur ca. 5 % der Sonnenstrahlung (Absorption von Strahlung f[krh Mono Smart Material | Monosmarte Anwendung Lichtemittierendes Smart Material: FÄDEN MIT FLUORESZIERENDEN PIGMENTEN Fluoreszierende Wandflächen

EunSook Lee, Deutschland Licht-Installation | Botschaft der Republik Korea, %HUOLQXD'HXWVFKODQG XD Während der Vorbereitungen für ihre erste Ausstellung im Jahre 1986 erlitt die aus Korea stammende Künstlerin EunSook Lee schwerste Verbrennungen, durch die die Beweglichkeit ihrer rechten Hand verloren zu gehen drohte. Traumatisiert durch diesen Vorfall, versuchte sie in ihren nachfolgenden Projekten ihre inneren Auseinandersetzungen, Ängste und Schmerzen zu verarbeiten. Die Tiefe ihrer Gefühle, ihre Liebe zur Natur vermochte EunSook Lee mit ihrer

Gesamtansicht Lost Embryo. | Detail fluoreszierende Fäden in Flechtstrukturen.

Installation Lost Embryo auf phantastische Weise visuell auszudrücken. Lost Embryo, erstmals 1999 in Vancouver, Kanada, der Öffentlichkeit präsentiert, versucht auf künstlerische Weise das Innere einer überdimensionalen Gebärmutter darzustelOHQ(WZDELV(PEU\RVZHUGHQYRQHWZDFPODQgen, mehrfach abgewinkelten länglichen Flechtstrukturen symbolisiert und auf raumhohen, monochromen Wänden im Abstand von etwa 25 cm rasterförmig aufgebracht. Jede einzelne Flechtstruktur besteht aus mehreren, zwischen zwei transparenten Polyester-Streifen thermisch einlaminierten

fluoreszierenden Fäden, die miteinander zu länglichen, mehrfach abgewinkelten dreidimensionalen Hohlformen zusammengeflochten sind. Dabei entstehen Bereiche, wo die fluoreszierenden Fäden sich an mehreren Stellen mit dem Polyester-Material überlagern, und andere, wo die Fäden keine Laminierung erfahren und somit frei exponiert sind. Durch die zusätzliche Verwendung von unterschiedlichen Farben sowohl bei den Fäden als auch bei den Polyester-Streifen entsteht, angeregt durch im Deckenbereich angebrachte längliche, UV-Licht ausstrahlende Leuchtstoffröhren, ein faszinierendes Form- und Farbenspiel.

118 | lichtemittierende smart materials

iahliahk^ls^gs7fZm^kbZeb^g Im Gegensatz zur Fluoreszenz kommt es bei dem optischen Phänomen der Phosphoreszenz bei den Materialien bzw. Komponenten zu einem Nachleuchten, das dadurch entsteht, dass ein Molekül durch Absorption von Licht, beim Übergang vom angeregten Triplett- in den GrundzuVWDQGEHUHLQHQ=HLWUDXP! –8 Sekunden ([11]) Licht emittiert. Materialien bzw. Komponenten, die über eine nachleuchtende Eigenschaft verfügen, werden als Phosphore bezeichnet. Abhängig von der Zeitdauer des Nachleuchtverhaltens können phosphoreszierende Materialien bzw. Komponenten unterschieden werden in: NACHLEUCHTENDE MATERIALIEN BZW. KOMPONENTEN

Diese Materialien leuchten nur vergleichsweise kurz nach und weisen eine geringe Anregungssensibilität auf. Als nachleuchtende Materialien bzw. Komponenten werden u. a. eingesetzt: ANORGANISCHE MATERIALIEN BZW. KOMPONENTEN

Zinksulfid-Kristalle, Magnesiumsulfid-Kristalle.

LANG NACHLEUCHTENDE MATERIALIEN BZW. KOMPONENTEN (AFTERGLOWS)

Diese Materialien leuchten vergleichsweise lang nach und weisen eine hohe Anregungssensibilität auf. Als lang nachleuchtende Materialien bzw. Komponenten werden u. a. eingesetzt: ANORGANISCHE MATERIALIEN BZW. KOMPONENTEN

Seltene Erden (z. B. Erdalkalialuminat-Kristalle). Zu den phosphoreszierenden Materialien gehören außerdem: MINERALIEN

Lapis Solaris (Bologneser Leuchtstein) Da diese Materialien bzw. Komponenten auch die im Tageslicht enthaltene UV-Strahlung absorbieren und als Licht emittieren, kann bei ihnen auch eine Lumineszenz am Tage festgestellt werden, die bei ausreichender Anregung selbst dann noch anhält, wenn keine oder nur eine unzureichende weitere Anregung stattfindet. Dies gilt insbesondere für Erdalkalialuminat-Kristalle. Erdalkalialuminat-Kristalle. | Phosphoreszierende Farbe bei Tag und bei Nacht. | Granulat (Compound) und daraus hergestelltes Kunststoff-Profil auf Polyacrylbasis.

119 | phosphoreszenz

Für den Bereich der Architektur sind zur Zeit von Bedeutung: ZINKSULFID-KRISTALLE, MAGNESIUMSULFID-KRISTALLE

Sie lassen sich durch Tages- und Kunstlicht sowie durch die Strahlung radioaktiver 6XEVWDQ]HQDQUHJHQ1DFK:HJIDOOGHU$QUHJXQJIlOOWGLH/LFKWGLFKWHLQQHUKDOEYRQ 0LQXWHQDXI RGHUZHQLJHUGHVXUVSUQJOLFKHQ:HUWV +

−

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, langjährige Erfahrungen, hohe Brillianz und Farbstärke, sehr kurze Anregungszeit (wenige Minuten), lange Nachleuchtzeit (mehrere Stunden), frei von radioaktiven Substanzen, frei von Blei- und Chrompigmenten, vielfältig einsetzbar, je nach Typ Beständigkeit gegenüber bestimmten Chemikalien und erhöhten Temperaturen, auch geringe Mengen lieferbar, vergleichsweise preisgünstig gegenüber Erdalkalialuminat-Kristallen. Eingeschränkt lichtecht.

ERDALKALIALUMINAT-KRISTALLE

Sie lassen sich durch Tages- und Kunstlicht sowie durch die Strahlung radioaktiver Substanzen anregen. +

−

Marktpräsenz, sehr hohe Brillianz und Farbstärke, kurze Anregungszeit, sehr lange Nachleuchtzeit (mehrere Stunden), vielfältig einsetzbar, Beständigkeit gegenüber bestimmten Chemikalien und stark erhöhten Temperaturen, auch geringe Mengen lieferbar. Vergleichsweise teuer gegenüber Zinksulfid-Kristallen, Magnesiumsulfid-Kristallen.

iahliahk^ls^gs7ikh]ndm^ Erste phosphoreszierende Produkte waren Uhren und Instrumente, die vor allem vom Militär genutzt wurden. Zifferblätter und Zeiger wurden mit einer Leuchtfarbe versehen, die in der ReJHOUDGLRDNWLYH6XEVWDQ]HQHQWKLHOW%LVZDUGLHVKDXSWVlFKOLFK5DGLXPDE ELOOLJHUHV6WURQWLXPXQG MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE Bei dem Phänomen der Elektrolumineszenz wird ein Molekül durch Einwirkung von Elektronen eines elektrischen Feldes zur Emission von Licht angeregt. Aufgrund der bisherigen Entwicklungen kann bei der Elektrolumineszenz unterschieden werden in: INJEKTIONS-ELEKTROLUMINESZENZ PULVER-ELEKTROLUMINESZENZ DÜNNSCHICHT-ELEKTROLUMINESZENZ DICKSCHICHT-ELEKTROLUMINESZENZ POLYMER-/SMALL-MOLECULES-ELEKTROLUMINESZENZ

Nachfolgend sollen Materialien und Produkte aus dem Bereich der Injektions-, Dickschicht-, und Polymer-/ Small-Molecules-Elektrolumineszenz ausführlicher behandelt werden. Letztere befinden sich zur Zeit in der Phase der Markteinführung.

bgc^dmbhgl&^e^dmkhenfbg^ls^gsu eb`am&^fbmmbg`]bh]^l!E>="7fZm^kbZeb^g Die Injektions-Elektrolumineszenz ist das grundlegende Funktionsprinzip von so genannten Halbleiterlichtquellen, wie z. B. Light-Emitting Diodes (LED), bei denen Ladungsträger von außen über einen so genannten Injektionsstrom zugeführt werden und durch Rekombination von Elektronen und Löchern Licht emittiert wird. Eingebettet zwischen zwei Elektroden, die durch lichtdurchlässigen Kunststoff von der Umgebung abgekapselt sind, wird dotiertes Galliumarsenid als Leuchtstoff in LEDs eingesetzt. Waren diese lange nur in rot, gelb und grün erhältlich, so wurde mit der Entwicklung von blauen LEDs erst jüngst die Anzahl möglicher Leuchtfarben erweitert, so dass mittlerweile durch Addition mehrerer Lichtfarben nun auch weiße LEDs möglich sind. Bereits im Jahre 1936 wurde die Elektrolumineszenz (EL) durch den französischen WissenVFKDIWOHU*HRUJHV'HVWULDXHQWGHFNW6LHEOLHEMHGRFKELVJHJHQ(QGHGHUHU-DKUHGHV Jahrhunderts im Laborstadium. Ziel war die Entwicklung einer Alternative zur Glühlampe als Leuchtmittel, was zunächst aber scheiterte. Zu den elektrolumineszierenden Materialien bzw. Komponenten aus dem Gebiet der InjektionsElektrolumineszenz gehören u. a.: ANORGANISCHE VERBINDUNGEN

Dotiertes Galliumarsenid, andere Galliumverbindungen. Für den Bereich der Architektur ist heute von Bedeutung: DOTIERTES GALLIUMARSENID

Es handelt sich um einen mit unterschiedlichen Metallen dotierten Halbleiter. Er lässt sich nur aufwendig durch Kristallzüchtung herstellen. +

−

Marktpräsenz, langjährige Erfahrungen im Umgang, hohe Brillanz und Farbstärke, gekapselt frei von toxischen Substanzen, vielfältig einsetzbar, je nach Typ Beständigkeit gegenüber bestimmten Chemikalien und erhöhten Temperaturen, auch geringe Mengen lieferbar. Nur von wenigen Spezialbetrieben herstellbar, beschränkte Anzahl an herstellbaren Leuchtfarben.

126 | lichtemittierende smart materials

bgc^dmbhgl&^e^dmkhenfbg^ls^gsu eb`am&^fbmmbg`]bh]^l!E>="7ikh]ndm^ Zum Einsatz kamen Light-Emitting Diodes (LED) zunächst in elektronischen Geräten, wo sie lange Zeit der Kontrolle von Funktionen und zur Betriebsanzeige verwendet wurden. Mittlerweile versucht man in Anwendungsbereichen, wo bisher sehr viele LEDs eingesetzt wurden, beispielsweise im Auto mit bis zu 200 LEDs, sich auf eine geringere Anzahl zu beschränken, indem man von einer oder wenigen zentralen Lichtquellen ausgehend flexible Lichtwellenleiter einsetzt, um die betreffenden Stellen zu beleuchten. Ebenfalls als Lichtwellenleiter dienen Glas-Scheiben oder transparente Kunststoffe, z. B. PMMA, bei denen an den Schmalseiten angebrachte, in die Fläche strahlende LEDs die entsprechenden Elemente flächig illuminieren. Dadurch wird der punktförmige Eindruck vermieden, den jedes LED bei einem Einbau in der Fläche abgibt. Umgekehrt lassen sich bei einer gleichmäßigen, bezogen auf den Betrachtungsabstand dichten Anordnung in der Fläche, bei der jedes LED einzeln angesteuert werden kann, durch Kombination unterschiedlich farbiger LEDs farbige, ja selbst weiße fließende Bildsequenzen, vergleichbar denen von Fernsehbildern, erzeugen. Gerade in jüngster Zeit kommt diese Anwendung verstärkt zum Einsatz als Ersatz für herkömmliche Großbildprojektionen, etwa im Entertainmentbereich. Entsprechend den verschiedenen Leistungsklassen können LEDs unterschieden werden in: STANDARD-LEDs

Sie können durch Auflöten und Aufstecken auf Platinen oder mittels Klemmen und Schraubverbindungen mit elektrisch leitenden Untergründen, Kabeln u.ä. appliziert werden. +

−

Vergleichsweise lange Lebensdauer, vergleichsweise geringe Leistungsaufnahme, vielfältig einsetzbar, weitgehend beständig gegenüber bestimmten Chemikalien und erhöhten Temperaturen, auch geringe Mengen lieferbar, vergleichsweise preisgünstig. Keine flächige Lichtwirkung, beschränkte Anzahl an herstellbaren Leuchtfarben.

Die Leuchtwirkung kann bei Bedarf durch den Einsatz von Linsen o. ä. verstärkt werden. Bei beengten Einbauverhältnissen können lichtleitende Gläser und Kunststoffe mit kleinerem Durchmesser als die der verwendeten LEDs vorgeschaltet werden. Für den Außenbereich sind spezielle LEDs erhältlich.

2 W Hochleistungs-LED. | RGB Multi-LED. | Hochleistungs-LEDs mit optischen Linsen. | Komplexe gestaltete Lichtquelle eines Automobils aus mehreren LEDs. | Leuchte mit HochleistungsLEDs | Color-on-Demand-LED. | gegenüber: LEDs in KunststoffGehäuse (Typ Solarbrick). | LEDs in Glas. | Fassade mit LEDs in Kunststoff-Gehäusen in Kombination mit Solarzellen: Korea. | LEDs in Metallgewebe (Typ Mediamesh). | Hochhausfassade mit LEDs in und vor Edelstahl-Gewebe (Typ Mediamesh und Illumesh): Projekt von Benjamin Romano.

127 | injektions-elektrolumineszenz | light-emitting diodes (LED)

HOCHLEISTUNGS-LEDs

Da für unterschiedliche Einsatzwecke entwickelt, verfügen diese über zum Teil recht unterschiedliche Anschlüsse. Sie können in der Architektur überall dort eingesetzt werden, wo eine größere Lichtstärke verlangt wird und die erforderliche elektrische Energie bereitgestellt werden kann. + −

9HUIJHQEHUHLQHELV]XPDOJU|‰HUH/LFKWVWlUNHDOV6WDQGDUG/('V Nicht universell einsetzbar, vergleichsweise teuer.

Für bestimmte Anwendungen werden mehrere LEDs in Einheiten zusammengeführt. Erhältlich sind Module, Cluster u.ä. Auch können diese mit optischen Linsen z. B. zur Bündelung des zu emittierenden Lichts ausgestattet werden.

bgc^dmbhgl&^e^dmkhenfbg^ls^gsu eb`am&^fbmmbg`]bh]^l!E>="7ikhc^dm^ Standard-Light-Emitting-Diodes (LED) finden in der Architektur zunehmend Anwendung. Mittlerweile gibt es in Gläser integrierte, ultraflache LEDs, die durch fast unsichtbare Leiterbahnen mit elektrischem Strom versorgt werden und so beispielsweise zur Beleuchtung von transparenten Brüstungen, Treppengeländern, Raumteilern u. ä. eingesetzt werden.

Als architekturrelevante Produkte sind gegenwärtig u. a. entwickelt worden bzw. erhältlich: AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

STANDARD-LEDs HOCHLEISTUNGS-LEDs RGB MULTI-LEDs COLOR-ON-DEMAND-LEDs ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

GLÄSER mit LEDs GLÄSER mit LEDs in Kombination mit SOLARZELLEN METALL-GEWEBE mit LEDs KUNSTSTOFF-GEWEBE mit LEDs

128 | lichtemittierende smart materials

Ahm^eAZ[bmZmAK Poly Smart Materials | Monosmarte Anwendung Lichtemittierende Smart Materials: METALL-GEWEBE MIT LEDs, SOLARZELLEN Von Licht und Software abhängige Farb- und Lichtwechsel

CLOUD 9, Spanien Licht-kinetische Vorhangfassade | Hotel Habitat H&R, Barcelona, 6SDQLHQ „Your room in a tree“ lautet das Konzept für ein neues Hotel, das im HospiWDOHW'LVWULNW LQ %DUFHORQD ELV  UHDOLVLHUW ZLUG 'LH ]XNQIWLJHQ *lVWH und Mitarbeiter sollen von den Vorzügen eines künstlichen Blätterwaldes profitieren, der die Außenhülle für das neue Hotel Habitat H&R bildet. Das von dem spanischen Architekten Ruiz-Geli und seinem Büro CLOUD 9 sowie weiteren Partnern entwickelte Gebäude besteht aus einem vergleichsweise einfachen, mit einer konventionellen Glas-Fassade versehenen HochhausBaukörper, der mit einem Edelstahl-Netz überzogen wird, an dem eine Vielzahl von künstlichen, mit einer Elektronik versehenen Blättern befestigt sind. ,P$EVWDQGYRQFPSODW]LHUWLVWMHGHVGLHVHULQVJHVDPWLP'XUFKmesser 25 cm messenden Blätter im Innern mit einer Solarzelle bestückt. Der damit bei Tag erzeugte elektrische Strom wird in einem Akku zwischengespeichert und in der Nacht über einen Prozessor (CPU) an ein, zwei oder drei RGB-LEDs geleitet. Dazu analysiert der Prozessor den Ladezustand der Akkus, den Energieverbrauch der LEDs und deren mögliche Leuchtdauer und steuert entsprechend ein, zwei oder drei LEDs an. Durch die Kombination können insgesamt sieben Farben erzeugt werden: Neben den Standardfarben Rot, Grün und Blau bei Ansteuerung jeweils nur einer LED entstehen durch Kombination von zwei LEDs die Farben Magenta, Gelb und Cyan, und durch gleichzeitiges Anschalten von allen drei LEDs kann weißes Licht erzeugt werden. So wird sich die Hülle in der Nacht, abhängig von der Jahreszeit, entsprechend den vorherrschenden energetischen Zuständen autonom durch Anlegen unterschiedlicher farbiger Leuchtkleider verändern.

Hotel Habitat H&R: Illustration Ansicht.

129 | injektions-elektrolumineszenz | light-emitting diodes (LED)

Hotel Habitat H&R: Illuminiertes Modell. | Ausschnitt Modell. | Prototyp eines künstlichen Blattes mit Solarzelle, RGB-LEDs, Prozessor und Akku. | Grundfarben der künstlichen Blätter (rot, grün, blau und weiß).

_OLFKWHPLWWLHUHQGHVPDUWPDWHULDOV

]b\dl\ab\am&^e^dmkhenfbg^ls^gsu^e^\mkh& enfbg^l\^gmfZm^kbZel!>E"7fZm^kbZeb^g Die Dickschicht-Elektrolumineszenz stellt ein mögliches Funktionsprinzip von meist flächigenLichtquellen aus Electroluminescent Materials (EL) dar. Sie basiert auf einer Wechselwirkung von mehreren funktionellen Schichten. Die Höhe der lichtemittierenden Schicht, auch Emitterschicht genannt, ist hier im Gegensatz zur Dünnschicht-Technologie vergleichsweise stark ausgeprägt. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden eingelagerte Leuchtpigmente (Phosphore) angeregt, kaltes Licht zu emittieren. Entwickelt wurden u. a. EL-Folien und EL-Kabel. Zu den elektrolumineszierenden Materialien bzw. Komponenten aus dem Gebiet der DickschichtElektrolumineszenz gehören u. a.: ANORGANISCHE VERBINDUNGEN

Dotiertes Zinksulfid. Für den Bereich der Architektur sind heute von Bedeutung: DOTIERTES ZINKSULFID

Zur Herstellung unterschiedlicher Leuchtfarben mit unterschiedlichen Metallen dotierter Halbleiter, lässt sich auf Kunststoff und Glas applizieren. +

−

Marktpräsenz, langjährige Erfahrungen, auch geringe Mengen lieferbar, vergleichsweise preisgünstig. Vergleichsweise hohe Wechselspannung erforderlich, beschränkte Anzahl an herstellbaren Leuchtfarben.

]b\dl\ab\am&^e^dmkhenfbg^ls^gsu^e^\mkh& enfbg^l\^gmfZm^kbZel!>E"7ikh]ndm^ Am Markt haben sich die auf der Dickschicht-Technologie basierenden Produkte gegenüber jenen der Dünnschicht-Technologie durchgesetzt, wobei der Konstruktionsansatz weitgehend identisch ist. Bei beiden werden die Leuchtpigmente mit einem transparenten, organischen oder keramischen Bindemittel versetzt. Zum Anlegen eines elektrischen Feldes wird oberseitig eine sehr dünne, transparente, elektrisch leitende Metallschicht als Frontelektrode und eine elektrisch leitende Metallschicht als Rückelektrode appliziert. Dieser Aufbau gleicht dem eines Kondensators, weshalb auch die Bezeichnung Leuchtkondensator verwendet wird. Ursprünglich in Konkurrenz zur Glühlampe, die neben dem sichtbaren Licht einen Großteil der absorbierten elektrischen Energie in Wärme umwandelt und wie LEDs punktförmig Licht emittiert, wurden zunächst so genannte Leuchtfolien entwickelt, auch als EL-Folien bezeichnet, die EL-Kabel. | EL-Folie. | EL-Farbe auf Tacho gedruckt.

131 | dickschicht-elektrolumineszenz | electroluminescent materials (EL)

flächig kaltes Licht emittieren. Später entwickelte man auch EL-Streifen und EL-Kabel nach diesem Prinzip. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Glühlampe ist der Umstand, dass bei Verwendung geeigneter flexibler Schicht-Komponenten auch gekrümmte Untergründe mit entsprechenden Produkten bekleidet werden können. Eingesetzt werden EL-Produkte zur Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays, da Flüssigkristalle nicht selbst Licht emittieren können. Weitere Anwendungsfelder sind Leucht-Werbeflächen, sicherheitsrelevante Anwendungen etc. Für den Bereich der Architektur sind zur Zeit und bis auf Weiteres von Bedeutung: EL-FOLIEN

Erhältlich sind einseitig und beidseitig leuchtende Folien. Sie können auf ebene und auf gekrümmte Untergründe sowohl mechanisch als auch durch Verkleben appliziert werden. Eine Variante sind EL-Streifen. +

−-

Vergleichsweise lange Lebensdauer, vergleichsweise geringe Leistungsaufnahme, vielfältig einsetzbar, weitgehend beständig gegenüber Feuchtigkeit und erhöhten Temperaturen (< –ƒ&ELV!ƒ& HLQJHVFKUlQNWEHVWlQGLJJHJHQEHU89/LFKWDXFKJHULQJH Mengen lieferbar, vergleichsweise preisgünstig, können unterschiedlich zugeschnitten werden, können stufenlos gedimmt werden, auch im Niedervoltbereich betreibbar, leicht, unzerbrechlich, gleichmäßige flimmerfreie Leuchtfläche, stoßunempfindlich, sehr kurze Reaktionszeiten. Wechselspannung erforderlich, zusätzliche Vorschaltelektronik erforderlich, können nicht geknickt werden.

Zum Erzielen komplexer Leuchtgeometrien können die Folien mit der Schere zugeschnitten werden, ohne dass die Funktion beeinträchtigt würde. Die Vorschaltelektronik ist u. a. auf die abgegebene Leistungsaufnahme und die Größe der Leuchtfläche der Folien abzustimmen. EL-KABEL

Sie können auf Oberflächen durch Tackern, Klebung und Nähen appliziert werden. +

Als architekturrelevante Produkte sind gegenwärtig u. a. entwickelt worden bzw. erhältlich:

−

AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

EL-FOLIEN, -STREIFEN

Vergleichsweise lange Lebensdauer, im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< –ƒ&ELV!ƒ& $EVWUDKOXQJGHV/LFKWVLQƒYHUJOHLFKVZHLVHPHFKDQLVFK KRFKEHODVWEDUELVP/lQJHHUKlOWOLFK Wechselspannung erforderlich, zusätzliche Vorschaltelektronik erforderlich, können nicht geknickt werden.

Darüber hinaus entsprechen die allgemeinen Verarbeitungsempfehlungen jenen der EL-Folien.

EL-KABEL EL-FARBEN, -DRUCKFARBEN

EL-FARBEN

ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

Sie können auf unterschiedliche Oberflächen im Druckverfahren, in der Regel Siebdruckverfahren, appliziert werden.

PAPIERE mit EL-Kabeln

+

GEWEBE mit EL-Druck PANEELE mit EL-Druck METALL-GEWEBE mit EL-Kabel

−

Im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< –ƒ&ELV!ƒ& YHUJOHLFKVweise sehr komplexe Leuchtflächen möglich. Fachbetrieb erforderlich.

132 | lichtemittierende smart materials

]b\dl\ab\am&^e^dmkhenfbg^ls^gsu^e^\mkh& enfbg^l\^gmfZm^kbZel!>E"7ikhc^dm^ Bereits 1957 kam es zu einer ersten architektonischen Anwendung von Electroluminescent Materials (EL). In einem Modellzimmer wurden insgesamt 112 quadratische Leuchtflächen eingebaut. Die Platten bestanden hier u. a. aus Glas. Dass solche Platten bereits im Handel waren, belegt ein Artikel in dem deutschen Magazin Hobby – Das Magazin der Technik ([12]) mit der Überschrift: „...und es leuchten die Wände“ Diese bestanden demnach aus Blech und Porzellan, als Leuchtstoff wurden Phosphor-Kristalle eingesetzt. EL-Folien werden heute im Innen- wie auch im Außenbereich in der Architektur eingesetzt. Zwar werden die standardmäßig produzierbaren und erhältlichen Abmessungen stetig vergrößert, doch werden bis auf Weiteres vergleichsweise große Leuchtflächen nur durch das Zusammenführen mehrerer kleinerer EL-Folien realisiert werden können. Verwendet werden EL-Folien und EL-Streifen u. a. als großformatige Displays in Bereichen mit Publikumsverkehr, als leuchtende Bodenbeläge z. B. in Studios von Fernsehsendern und in künstlerischen Arbeiten. EL-Kabel können etwa zur Herausstellung von Umrissen und Kanten an Gebäuden oder zur linienhaften Ausgestaltung von Leuchtflächen und -bildern auf Fassaden eingesetzt werden. EL-Farben bieten gerade für den Einsatz im architektonischen Bereich viele Möglichkeiten. So können etwa farbige Muster auf Fassadenelementen im Siebdruckverfahren aufgebracht werden, die zuvor am Computer oder durch Einscannen von Vorlagen erzeugt wurden.

Modellzimmer mit EL-Platten von 1957. I Illustration der „Elektronenleuchte“ (1957). | Papier mit EL-Streifen: Ellum-Lichtpapier, Anke Neumann.

133 | dickschicht-elektrolumineszenz | electroluminescent materials (EL)

;enf^g Mono Smart Material | Monosmarte Anwendung Lichtemittierendes Smart Material GEWEBE MIT EL-DRUCK Von Licht und Software abhängige Illuminationen

Loop.pH Ltd. – Rachel Wingfield, Mathias Gmachl, Großbritannien Lichtkinetische Raumteiler_*UR‰EULWDQQLHQ Wie traditionelle dekorative, florale Muster in Verbindung mit der EL-Technik zur Entwicklung von innovativen Raumteilern eingesetzt werden können, zeigt die Arbeit Blumen der beiden Designer Rachel Wingfield und Mathias Gmachl mit ihrer Firma Loop.pH Ltd. in London. Die zunächst als funktionsfähige Technologie-Demonstratoren hergestellten Raumteiler bestehen aus mehreren gleichartigen, breiten, textilen, von der Decke abgehängten Lamellen, die zum Öffnen in eigenen

Prototyp Blumen-Raumteiler mit Musterausschnitt | Nahaufnahme Blumen-Raumteiler | Partielle, musterbildende Illumination von einzelnen Musterfeldern.

Führungsschienen platzsparend seitlich nebeneinander angeordnet werden können. Das Muster besteht aus einem vierteiligen Blattmotiv, das, insgesamt achtmal gespiegelt, eine quadratische Grundform beschreibt und zu einem größeren, quadratischen Musterfeld arrangiert wird, welches sich wiederum, je nach gewünschter Lamellengröße, durch einfaches Hinzufügen beliebig neben- und untereinander erweitern lässt. Zur Beleuchtung des Musters wurde eine elektrolumineszierende Farbe verwendet, die auf das Textil mittels eines speziellen Tintenstrahldruckers appliziert wurde. Durch dünne,

farblich abgesetzte elektrische Leitungen, die die einzelnen Musterfelder ornamental umranden, kann jedes Feld einzeln mit Strom versorgt und damit auch angesteuert werden. Durch eine eigens entwickelte Software und abhängig von der Charakteristik der einsetzbaren Sensoren können damit die Raumteiler auf unterschiedliche Stimuli reagibel ausgelegt werden. Denkbar wären beispielsweise Raumteiler, bei denen, abhängig von den wechselnden vorherrschenden Lichtverhältnissen, unterschiedlich viele Felder illuminiert würden. Bei entsprechender Ansteuerung könnten die Musterfelder selbst flächige leuchtende Muster erzeugen.

134 | lichtemittierende smart materials

P^Zma^kIZmm^kgl Mono Smart Material | Monosmarte Anwendung Lichtemittierendes Smart Material: PANEELE MIT EL-DRUCK Von Licht und Software abhängige Illuminationen Loop.pH Ltd. – Rachel Wingfield, Mathias Gmachl, Großbritannien Licht-Installation | York Art Gallery, London, *UR‰EULWDQQLHQ² Eine Verbindung traditioneller Formen mit zeitgemäßer Anzeigetechnologie auf der Basis elektrolumineszierenden MaWHULDOV ]HLJW GLH VHLW 2NWREHU  VWDWWILQGHQGH DXI  IQI  Jahre angelegte Licht-Installation für die York Art Gallery in London, bei der die Wettergeschehnisse an dem Gebäude für Passanten in den Nachstunden visuell umsetzt werden. Dazu platzierte man im Obergeschoss über dem Eingang des im klassischen italienischen Renaissancestil errichteten Gebäudes fünf horizontal ausgerichtete Anzeigetafeln. Genauer beschrieben wurden die Tafeln in den Nischen der schmaleren Blendfenster der Fassade angebracht. Jede der Tafeln besteht aus einem mit elektrolumineszierender Farbe bedruckten Paneel, das zwischen einer gehärteten Glas-Scheibe und einem Spiegel eingebunden wurde. Zur Visualisierung der unterschiedlichen Wetterzustände wurde ein ornamental anmutendes, quadratisches WetterMuster entwickelt, bei dem je nach sensorischem Wert konzentrisch spiralförmige Bereiche über einen Computer mit eigens entwickelter Software zu- und abgeschaltet werden können. Zur Erfassung der unterschiedlichen Wetterdaten wird eine kompakte Wetterstation vom Typ Davis-Vantage Pro2 eingesetzt, die mit je einem Sensor für Luftdruck, Temperatur, Feuchtigkeit, Regenfall sowie mit Sensoren zur Erfassung der Windgeschwindigkeit und -richtung ausgestattet ist und auf dem Portico-Dach über dem Eingang platziert wurde. Ziel dieser Installation ist es, die Passanten in den Nachtstunden mittels der Ästhetik und Kinematik der Lichtmuster für die vom Menschen mitverursachte globale Erwärmung zu sensibilisieren.

Weather Patterns: Komplettes Muster. | Unterschiedliche aktivierbare Bereiche des Musters. | Mögliche Muster in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen. | Weather Patterns bei Tag und bei Nacht.

135 | polymer-/small-molecules-elektrolumineszenz | organic light-emitting diodes (OLED)

iherf^k&(lfZee&fhe^\ne^l& ^e^dmkhenfbg^ls^gsu hk`Zgb\eb`am&^fbmmbg`]bh]^l!HE>="7 fZm^kbZeb^g Organic Light-Emitting Diodes (OLED) sind in der Regel flächig hergestellte LEDs auf Basis organischer, halbleitender Polymere oder kleiner Moleküle (engl.: Small Molecules), die wie diese durch Absorption von Elektronen kaltes Licht emittieren. Entsprechend den eingesetzten Komponenten wird für mit Polymeren gefertigte organische LEDs die Abkürzung PLEDs oder POLEDs und für mit Small Molecules gefertigten OLEDs die Abkürzung SOLEDs oder SMOLEDs verwendet. Verfügen OLEDs über eine ausgeprägte Flexibilität oder werden phosphoreszierende Komponenten eingesetzt, werden diese vereinzelt auch als FOLEDs bzw. PHOLEDs bezeichnet.

Transport layer Emitting layer Transport layer Emitting layer Transport layer

transparent conductor (ITO)

electron transport layer

hole transport layer

metal cathode

emitting layer

glass substrate

Transport layer

NOVALED innovative technology: Doped OLED structures with in-house developed materials

OLEDs bestehen im Allgemeinen aus mehreren übereinander angeordneten funktionellen Schichten. Als untere Schicht dient ein Substrat, z. B. eine Glas-Scheibe, als Träger für die nachfolgenden Schichten. Darüber befindet sich die Anode, z. B. aus Indium-Zinn-Oxid, (engl.: Indium Tin Oxide (ITO)). Darauf wird eine Lochleitungsschicht (engl.: Hole Transport Layer (HTL)), aufgebracht. Zwischen der ITO- und der HTL-Schicht kann zusätzlich eine weitere Schicht, die z. B. der Oberflächenglättung dient, eingebunden werden. Über der HTL-Schicht wird eine weitere Schicht, eine so genannte Emitterschicht (engl.: Emitter Layer (EL)), angeordQHWGLHDXVHLQHUJHULQJHQ0HQJHDQ)DUEVWRII FDELV JHELOGHWZLUGRGHUDXFKYROOständig aus Farbstoff bestehen kann. Darauf folgt die Elektronenleitungsschicht (engl.: Electron Transport Layer (ETL)), auf die eine Kathode aus z. B. Calcium oder Aluminium aufgedampft wird. Abschließend wird zur Abdeckung z. B. eine weitere Glasscheibe aufgebracht. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden die Farbstoffe in der Emitterschicht, wo sich positive und negative Ladung treffen (daher auch Rekombinationsschicht genannt), dazu angeregt, abhängig von den eingesetzten Farbstoffen weißes oder farbiges, kaltes Licht zu emittieren. Die ersten Entwicklungen zu OLEDs stammen aus den USA, wo ein international tätiger PhotoNRQ]HUQLQGHQHU-DKUHQGHV-DKUKXQGHUWVHUVWH3DWHQWDQPHOGXQJHQHLQUHLFKWH'DEHL handelte es sich um organische Leuchtdioden aus im Vakuum aufgedampften Small Molecules 602/(' $OVGLH(OHNWUROXPLQHV]HQ]EHL3RO\PHUHQHQWGHFNWZXUGHNRQQWHQ2/('VDXFK nach dem Verfahren der Cambridge Display Technology hergestellt werden, indem langkettige Polymere durch Rotations- oder Druckbeschichtung auf eine Elektrode appliziert werden (POLED). Seitdem sind vor allem in den USA, Japan und Deutschland zahlreiche Entwicklungen zu OLEDs gemacht worden. Zur Zeit konkurrieren beide vorgenannten Technologien miteinander.

Schematische Darstellung des Aufbaus einer SMOLED und einer POLED.

136 | lichtemittierende smart materials

Als Materialien bzw. Komponenten aus dem Bereich SMOLEDs werden allgemein u. a. eingesetzt: SMALL MOLECULES

z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) (Alq3), Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) (Alq3  Polymer (siehe photonics.com).

Als Materialien bzw. Komponenten aus dem Bereich POLEDs werden allgemein u. a. eingesetzt: ORGANISCHE, HALBLEITENDE POLYMERE

z. B. Polyphenylenvinylene (PPV), Polythiophene und Polyfluorene (grün, rot und blau fluoreszierende Farbstoffe).

ANORGANISCH-ORGANISCHE, HALBLEITENDE POLYMERE

metall-organische Komplexe (phosphoreszierende Farbstoffe). Für den Bereich der Architektur sind von Bedeutung: ALUMINIUM-TRIS(8-HYDROXYCHINOLIN) (Alq3)

Organische Halbleiter, zur Herstellung von Farbdisplays und Lichtquellen geeignet, lassen sich auf unterschiedlichen Substraten wie Glas und Kunststoff applizieren. +

−

Marktpräsenz, langjährige Erfahrungen, vergleichsweise gute optische Eigenschaft, geringe elektrische Spannung erforderlich (z. B. 3 V bis 5 V). Vergleichsweise aufwendiger Herstellungsprozess unter Vakuum-Bedingungen, dadurch vergleichsweise teuer in der Applikation.

POLYPHENYLENVINYLENE (PPV), POLYTHIOPHENE, POLYFLUORENE

In den RGB-Farben leuchtende, organische, halbleitende Polymere, zur Herstellung von Farbdisplays und Lichtquellen geeignet, lassen sich auf unterschiedlichen Substraten wie Glas und Kunststoff applizieren. +

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Grüne und rote Kristalle als p- und n-Dotanden zur Herstellung von SMOLEDs.

Marktpräsenz, langjährige Erfahrungen, vergleichsweise gute Photoleitfähigkeit und Elektrolumineszenz, geringe elektrische Spannung erforderlich (z. B. 3V bis 5V). Beschränkte Anzahl an herstellbaren Leuchtfarben.

137 | polymer-/small-molecules-elektrolumineszenz | organic light-emitting diodes (OLED)

iherf^k&(lfZee&fhe^\ne^l&^e^dmkh& enfbg^ls^gsu hk`Zgb\eb`am&^fbmmbg`]bh]^l!HE>="7 ikh]ndm^ Da das Prinzip dieser Form von Elektrolumineszenz vergleichsweise neu ist und es noch vereinzelt Schwachstellen gibt, wie etwa die vielfach noch unzureichende Langzeitstabilität bei einzelnen Farben und die Feuchtigkeitsempfindlichkeit, sind gegenwärtig nur wenige Produkte serienmäßig auf dem Markt erhältlich. Aufgrund vieler Vorteile, wie etwa der flächigen Lichtabstrahlung gegenüber LEDs, der nicht mehr erforderlichen Hintergrundbeleuchtung gegenüber LCDs und der größeren möglichen Lichtdichte (Helligkeit) gegenüber EL-Folien, versucht man weltweit diese Technologie in unterschiedlichen Bereichen zu etablieren, einerseits um die vorgenannten konventionellen elektrolumineszierenden Produkte zu ersetzen und andererseits um neue Anwendungen zu erschließen. Speziell im Konsumerbereich sind entsprechende Anzeigen bei kleinen portablen elektronischen Geräten wie MP3-Playern und Mobiltelefonen als Produkte bereits platziert worden. Bezüglich JU|‰HUHU$EPHVVXQJHQKDWHLQMDSDQLVFKHU+HUVWHOOHUHUVWPDOVHLQ*HUlWPLWHLQHU'LDJRQDOHQ YRQ  =ROO GHU gIIHQWOLFKNHLW YRUJHVWHOOW GRFK ZHUGHQ ELV ]XU 0DUNWUHLIH XQG HLQHU verbraucherfreundlichen Preisgestaltung vermutlich noch einige Jahre an Entwicklungsarbeit erforderlich sein. ,P$XWRPRELOEHUHLFKKDWHLQH.RRSHUDWLRQ]ZHLHUGHXWVFKHU)LUPHQHLQHNOHLQH%HOHXFKtungseinheit zum Einsatz in Automobilen auf der Internationalen Automobil Ausstellung in Frankfurt (IAA) präsentiert. Für den Bereich der Architektur sind heute und bis auf Weiteres folgende Produkte mit OLEDs von Bedeutung: NON FLEXIBLE OLED-DISPLAYS

Sowohl als SMOLEDs als auch POLEDs erhältlich. Als Substrat wird z. B. Glas eingesetzt. Sie können auf ebene Untergründe, in Gehäusen u.ä. sowohl mechanisch als auch durch 9HUNOHEXQJDSSOL]LHUWZHUGHQXQGVLQG]XU=HLWXDLQ'LDJRQDOHQYRQXQG=ROO erhältlich. +

−

Technologie Novaled: Weißes Licht emittierendes SMOLED-Display. | Farbiges Licht emittierende SMOLED-Displays. I Technologie Osram Opto Semiconductors: Farbiges Licht emittierende POLED-Displays.

0DUNWSUlVHQ]LPXQWHUHQELVPLWWOHUHQ7HPSHUDWXUEHUHLFKHLQVHW]EDU²ƒ&ELV !ƒ& LP1LHGHUYROWEHUHLFKEHWUHLEEDUYHUJOHLFKVZHLVHJHULQJH/HLVWXQJVDXIQDKPH dimmbar, eingeschränkt UV-lichtbeständig, gleichmäßige und flimmerfreie Leuchtfläche, YHUJOHLFKVZHLVHJUR‰HU%HWUDFKWXQJVZLQNHO]%ƒ HLQJHVFKUlQNWVWR‰XQHPSILQGOLFK sehr kurze Reaktionszeiten. Vergleichsweise empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, unterschiedliche Lebensdauer der Farbstoffe, vergleichsweise geringe Lebensdauer gegenüber LCD-Displays, keine Beleuchtung bis zum Rand der Displays möglich, dadurch Randabdeckung erforderlich, können nicht geknickt werden.

138 | lichtemittierende smart materials

FLEXIBLE OLED-DISPLAYS (Z. B. TECHNOLOGIE FRAUNHOFER IAP)

Sowohl als SMOLEDs als auch POLEDs erhältlich. Als Substrat wird z. B. Polyethylenterephthalat (PET) eingesetzt. +

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Können auf gekrümmten und flexiblen Untergründen sowohl mechanisch als auch durch Verklebung appliziert werden, z. B. auf räumlich gekrümmten Membranen, sind unzerbrechlich. Sonst wie zuvor genannt. Fehlende Marktpräsenz, keine sehr kleinen Abkantungen oder Faltungen möglich. Sonst wie zuvor genannt.

NON UND SEMI TRANSPARENTE OLED-LICHTQUELLEN (Z. B. TECHNOLOGIE OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS)

Sowohl als SMOLEDs als auch POLEDs eingeschränkt erhältlich. Als Substrat wird z. B. Glas eingesetzt. Sie können über eigenes Gehäuse, Rahmen o. ä. verfügen, entsprechend lassen sie sich stellen und auf ebenen Untergründen, z. B. an Wänden und Decken, sowohl mechanisch als auch durch Verklebung befestigen. Als Technologie-Demonstratoren sind Lichtquellen hergestellt worden, die aus mehreren Kacheln (SMOLEDs) im Format 2 Zoll x 3 Zoll (ca. 5 cm x 7,6 cm) zusammengesetzt wurden. + −

Wie zuvor genannt. )HKOHQGH0DUNWSUlVHQ]YHUJOHLFKVZHLVHJHULQJH/HEHQVGDXHUFD6WG YHUJOHLFKVZHLVHJHULQJH+HOOLJNHLW&GPìE]Z]XNQIWLJ&GPì JHJHQEHUNRQYHQWLRnellen Leuchtmitteln, Randabdeckung erforderlich, können nicht geknickt und gebogen werden.

TRANSPARENTE OLED-LICHTQUELLE (Z. B. TECHNOLOGIE NOVALED)

Technologie-Demonstratoren auf SMOLED-Basis. Als Substrat wird z. B. Glas eingesetzt. Sie können über ein eigenes Gehäuse, Rahmen o. ä. verfügen, entsprechend lassen sie sich stellen und auf ebenen Untergründen, z. B. an Wänden, Decken oder in Gehäusen, sowohl mechanisch als auch durch Verklebung befestigen. +

Als architekturrelevante Produkte sind gegenwärtig u. a. entwickelt worden bzw. erhältlich: AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

NON FLEXIBLE DISPLAYS aus OLEDs (z. B. POLEDs) FLEXIBLE DISPLAYS aus OLEDs (z. B. POLEDs) LICHTQUELLEN (klein) aus OLEDs (z. B. SMOLEDs) ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

LICHTQUELLEN (groß) aus OLEDs (SMOLEDs) TRANSPARENTE LICHTQUELLEN/TAG-NACHT-FENSTER mit OLEDs (SMOLEDs) NOTBELEUCHTUNGEN mit OLEDs (SMOLEDs)

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Im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< –ƒ&ELV!ƒ& YHUJOHLFKVZHLVHODQJH/HEHQVGDXHUFD6WGELV6WGDQZHQGXQJVDEKlQJLJ  YHUJOHLFKVZHLVHJUR‰H+HOOLJNHLW&GPìELV!&GPìDQZHQGXQJVDEKlQJLJ  möglich. Fehlende Marktpräsenz, Randabdeckung erforderlich, können nicht geknickt und gebogen werden, können nicht wie konventionelle Gläser und EL-Folien, z. B. durch Zuschnitt, verarbeitet werden.

Zum Erzielen größerer und/oder gekrümmter Flächen können mehrere Displays nebeneinander platziert werden. Bedingt durch nicht beleuchtbare Randzonen entstehen mitunter unerwünschte Fehlstellen. Durch temporäre Verringerung der Leistungsaufnahme, z. B. durch Herunterdimmen des Lichts, kann die Lebensdauer verlängert werden.

139 | polymer-/small-molecules-elektrolumineszenz | organic light-emitting diodes (OLED)

iherf^k&(lfZee&fhe^\ne^l& ^e^dmkhenfbg^ls^gsu hk`Zgb\eb`am&^fbmmbg`]bh]^l!HE>="7 ikhc^dm^ Aufgrund der Tatsache, dass zur Zeit nur vereinzelt Produkte mit Organic Light-Emitting Diodes (OLED) auf dem Markt erhältlich sind, die speziell für den Einsatz in der Architektur gefertigt werden, sind bisher nur wenige Anwendungen realisiert und publiziert worden. Interessant sind OLEDs insbesondere als flächige Leuchtquellen. Zu den ersten Produkten, die in absehbarer Zeit erhältlich sein werden, gehören noch vergleichsweise kleine Leuchtquellen, die u. a. als Notbeleuchtungen eingesetzt werden können. Gegenwärtig wird an der Entwicklung eines so genannten Tag-Nacht-Fensters auf Basis der Small-Molecules-Technologie gearbeitet, das am Tag natürliches Sonnenlicht hindurchlässt und in der Nacht als künstliche Lichtquelle dient.

Technologie Osram Opto Semiconductors: Technologie-Demonstrator einer OLED-Lichtquelle aus zwei weißes Licht emittierenden Kacheln. | Technologie Novaled: Technologie-Demonstrator einer transparenten OLED-Lichtquelle. | Schwach und stark leuchtende Beispiele. | gegenüber: Technologie Fraunhofer IAP: Technologie-Demonstrator eines flexiblen POLED-Displays.

_OLFKWHPLWWLHUHQGHVPDUWPDWHULDOV

LfZkmPkZi Poly Smart Materials | Polysmarte Anwendung Lichtemittierende und wärmespeichernde Smart Materials: FOLIE MIT ORGANIC LIGHT-EMITTING DIODES (OLED), MIT ORGANISCHEN PHOTOVOLTAIKZELLEN (OPV); FOLIE MIT PHASE CHANGE MATERIALS (PCM) Intelligentes Management solarer Strahlung

Kieran Timberlake Associates, USA Pavillon mit polyvalenter Gebäudehülle | Cooper Hewitt National Design 0XVHXP1HZ MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE Aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften sind sie in der Lage, auf Licht (sichtbares Licht, UV-Licht; elektromagnetische Strahlung) zu reagieren, indem sie davon abhängig nach Anlegen eines Verbrauchers elektrischen Strom generieren. Für den Bereich der Architektur sind zur Zeit u. a. folgende photoelektrische Smart Materials interessant: FARBSTOFF-SOLARZELLEN (DYE SOLAR CELLS, DSC)

Weitere photoelektrische Smart Materials sind: SILIZIUM-SOLARZELLEN DÜNNSCHICHT-SOLARZELLEN ORGANISCHE SOLARZELLEN (ORGANIC PHOTOVOLTAICS, OPV)

Silizium-Solarzellen beruhen auf einer vergleichsweise alten Technologie und werden von neuen Entwicklungen wie den Dünnschicht-Solarzellen und Organischen Solarzellen zunehmend abgelöst. Für Hinweise auf neue Entwicklungen bei den auf Silizium basierenden Solarzellen vgl. S. 41 f. Abhängig von den eingesetzten Farbstoffen (z. B. Anthocyane) können Farbstoff-Solarzellen auch zu den Organischen Solarzellen gezählt werden. Sie beruhen auf einer vergleichsweise jungen Technologie, bei der künstliche organische Polymere als lichtsensitive Komponenten u. a. zwischen flexiblen Substrat-Schichten eingebunden werden. Sie befinden sich zur Zeit in der Phase der Markteinführung (vgl. S. 41 f.).

_Zk[lmh__&lheZks^ee^g!]r^lheZk\^eel% =L +80 °C), vergleichsweise lange Lebensdauer (ca. 500 Std. bis 5.000 Std.) Geringer Wirkungsgrad (< 5 % unter Standard Testing Conditions), können nicht geknickt und gebogen werden, können nicht wie konventionelle Gläser z. B. durch Zuschnitt verarbeitet werden, vergleichsweise teuer gegenüber Modulen aus konventionellen SiliziumSolarzellen.

146 | stromgenerierende smart materials

MODULE AUS DSC (TECHNOLOGIE FRAUNHOFER ISE)

Mehrere zu Modulen zusammengefasste Technologie-Demonstratoren von DSCs mit mäanderförmigen Kanälen und mit siebgedrucktem Glas-Lot versiegelt. Sie können über ein eigenes oder zusammen mit mehreren Modulen (Paneelen) ein gemeinsames Gehäuse, einen eigenen Rahmen o. ä. verfügen; entsprechend lassen sie sich stellen und auf ebenen Flächen, z. B. an Wänden oder Dächern, sowohl mechanisch befestigen als auch verkleben. Maximale Größe der bisher gefertigten Module (Technologie-Demonstratoren) 30 cm x 30 cm, elektrische Spannung etwa 4,2 V, elektrischer Strom etwa 0,8 A. +

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Generierung von elektrischem Strom (Elektronen-Loch-Paaren) bei bereits geringen Lichtmengen, im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< –20 °C bis > +80 °C), Randbereiche durch Glas-Lot dauerhaft versiegelt, stabil durch mäanderförmigen Verbund der Glas-Substrate. Fehlende Marktpräsenz, geringer Wirkungsgrad (2,5 %, zukünftig ca. 5 % unter Standard Testing Conditions, u. a. von der Drucktechnik abhängig), eingeschränkte Transparenz durch mäanderförmigen Verbund der Glas-Substrate, können nicht geknickt und gebogen werden, können nicht wie konventionelle Gläser, z. B. durch Zuschnitt, verarbeitet werden, vergleichsweise teuer gegenüber Modulen aus konventionellen Silizium-Solarzellen.

Um die Funktionalität von DSCs über einen langen Zeitraum zu gewährleisten, dürfen insbesondere die Randbereiche zwischen den beiden eingesetzten Glas-Substraten nicht undicht werden. Entsprechend sind zu große wechselseitige thermische Belastungen zu vermeiden, wie sie etwa beim Einbau als Fenstergläser entstehen könnten. Dies gilt insbesondere für Zellen und Module mit streifenförmigen Kanälen.

Als Produkte sind gegenwärtig im Bereich der Architektur u. a. einsetzbar bzw. sollen zukünftig einsetzbar sein: AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

DSC (Technologie Dyesol, Technologie Fraunhofer ISE) ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

MODULE aus DSC (Technologie Dyesol, Technologie Fraunhofer ISE) PANEELE aus DSC (Technologie Dyesol, Technologie Fraunhofer ISE)

147 | farbstoff-solarzellen (dye solar cells, DSC)

_Zk[lmh__&lheZks^ee^g!]r^lheZk\^eel% =L +300 °C), guter Wirkungsgrad (ca. 8 %, u. a. von Temperaturdifferenz abhängig). Nicht in stark oxidierender Atmosphäre einsetzbar (z. B. Gasbrenner).

EISENDISILIZID (FeSi2)

Anorganische Halbleiter-Legierung aus metallischem Eisen und metallischem Silizium. Durch Dotierungen mit unterschiedlichen Fremdatomen lässt sie sich zu p- und n-leitenden Halbleitern weiterverarbeiten. Wird für auf Thermopaaren basierende TEGs eingesetzt. +

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kalte Seite

Schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise eines auf Thermopaaren basierenden TEG (z. B. Technologie Micropelt) und eines auf Elementen basierenden TEG (Technologie SAM).

Marktpräsenz, im unteren bis hohen Temperaturbereich einsetzbar (> +800 °C), in stark oxidierender Atmosphäre einsetzbar (z. B. Gasbrenner). Geringer Wirkungsgrad (ca. 3 %, u. a. von Temperaturdifferenz abhängig), vergleichsweise teuer.

150 | stromgenerierende smart materials

SILIZIUM-GERMANIUM (SiGe)

Anorganische Halbleiter-Legierung aus gereinigtem Rohsilizium und Germanium. Durch Dotierungen mit unterschiedlichen Fremdatomen lässt sie sich zu p- und n-leitenden Halbleitern weiterverarbeiten. Soll zukünftig neben Solarzellen auch in auf Elementen basierenden TEGs eingesetzt werden. +

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Marktpräsenz, im unteren bis hohen Temperaturbereich einsetzbar (< +500 °C), sehr guter Wirkungsgrad (>15 %, u. a. von Temperaturdifferenz abhängig), in stark oxidierender Atmosphäre einsetzbar (z. B. Gasbrenner). Muss in reinerer Form verarbeitet werden als z. B. Bismuttellurid.

ma^kfh^e^dmkbl\a^`^g^kZmhk^g!M>@"7 ikh]ndm^ Obwohl reversibel betreibbar, können Thermoelektrische Generatoren (TEG) gegenüber PeltierElementen (PE) bzw. -Modulen (PM) Unterschiede aufweisen. Beispielsweise können die einzusetzenden Halbleiter-Legierungen mit unterschiedlichen Fremdatomen dotiert werden. Bei Kontakt mit Wärmequellen von mehr als 250 °C, Temperaturen also, wie sie durch die Konzentration solarer Strahlung, etwa durch den Einsatz von vorgelagerten Linsen, auftreten können, werden keine Lote mehr eingesetzt. Unter Umständen kann auch die Anzahl der Thermopaare bei den TEGs höher sein als bei PEs. Dass sich TEGs bisher nicht annähernd so gut am Markt durchsetzen konnten, liegt an ihrem geringeren Wirkungsgrad, der mit 3 % bis 4 % angegeben wird (im Gegensatz zu Wirkungsgraden von mehr als 12 % bei konventionellen Technologien). Die Hersteller von TEGs haben sich weitgehend auf eine der vorgenannten Technologien konzentriert. Während einige Hersteller sehr kleine, maximal 5 mm x 5 mm große, in DünnschichtTechnologie hergestellte TEGs mit nur wenigen 100 µW elektrischer Ausgangsleistung anbieten, die weniger als 100 mV elektrische Spannung bei vergleichsweise geringen Temperaturunterschieden generieren, konzentrieren sich andere Hersteller auf den Bau von größeren und leistungsfähigeren TEGs und bieten Module in Leistungsklassen von 2,5 W bis 19 W elektrischer Ausgangsleistung bei vergleichsweise großen Temperaturunterschieden bis zu mehreren 100 K an. TEGs, die speziell für den Einsatz im Bereich der Architektur zur Marktreife gebracht worden wären, sind gegenwärtig nicht bekannt. Universitäten in den USA und Europa arbeiten jedoch an der Entwicklung und Erprobung von Fassadensystemen mit PEs oder PMs zur aktiven Klimatisierung von Räumen.

Bismut-Kristall. | Tellur-Kristall. | Polykristallines Solarsilizium.

151 | thermoelektrische generatoren (TEG)

Eine Entwicklung im Textilbereich aus dem Jahr 2002 ist möglicherweise auf die Architektur übertragbar. Zur batteriefreien Stromversorgung elektrischer Verbraucher in textiler Kleidung wurden in Gewebe integrierbare Thermogenerator-Chips aus Silizium entwickelt, die aus den geringen Temperaturdifferenzen zwischen Innen- und Außenseiten der Textilien Ausgangsleistungen von etwa 1,0 mW und Leerlaufspannungen von etwa 10 V/cm2 bei einer Temperaturdifferenz von 5 K generieren (in: [13]). Der Einsatz von TEGs zur Erzeugung von elektrischem Strom ist nicht neu, doch konnte sich diese Technologie aufgrund des geringen Wirkungsgrades bisher nicht durchsetzen. Neben der Optimierung der Halbleiter, z. B. durch Graduierung unterschiedlicher Materialien, versucht man auch neue Technologien auf Silizium-Basis zu etablieren. Da die Wirkungsgrade u. a. von der Höhe der Temperaturdifferenz abhängig sind, werden die Anlagen entweder durch die Abwärme von Verbrennungsprozessen oder durch konzentrierte solare Strahlung beaufschlagt. Für den Bereich der Architektur ist insbesondere letztere Möglichkeit interessant. Folgende TEGs sind zur Zeit erhältlich bzw. sollen zukünftig erhältlich und auch im Bereich der Architektur einsetzbar sein:

MODULE AUS AUF THERMOPAAREN BASIERENDEN, MIKROGROSSEN TEGs (Z. B. TECHNOLOGIE MICROPELT)

Mehrere zu Modulen zusammengesetzte Thermopaare aus blockbildenden, weniger als 100 µm dicken Halbleitern (Dünnschicht-TEGs). Sie lassen sich auf ebenen und flexiblen Untergründen, z. B. Glasflächen oder Membranen, sowohl mechanisch als auch durch Verklebung befestigen. Die maximale Größe der bisher gefertigten Module beträgt 5 mm x 5 mm, ihre generierbare elektrische Leistung liegt unter 600 µW, die elektrische Spannung unter 100 mV, der elektrische Strom beträgt weniger als 40 mA, bei einer Temperaturdifferenz von weniger als 20 K. Bei einem zur Zeit in Entwicklung befindlichen TechnologieDemonstrator wurde eine elektrische Leistung von 0,045 W, eine elektrische Spannung von 2,1 V, ein elektrischer Strom von 0,075 A bei einer Temperaturdifferenz von 33 K gemessen. Sie können zur energieautarken Versorgung oder zur energetischen Unterstützung von Sensoren und anderen Mikrosystemen eingesetzt werden. +

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Technologie Micropelt: Schematische Darstellung des Aufbaus eines mikrogroßen TEG. | Drei mikrogroße TEGs.

Marktpräsenz, Generierung von elektrischem Strom bei bereits geringen Temperaturdifferenzen, im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< +250 °C Heißseiten), vergleichsweise sehr lange Lebensdauer (>100.000 Std., vergleichbar mit Silizium-Solarzellen). Geringer Wirkungsgrad (< 5 %, modul- und temperaturabhängig), können nicht geknickt und gebogen werden.

152 | stromgenerierende smart materials

MODULE AUS AUF THERMOPAAREN BASIERENDEN, MAKROGROSSEN TEGs (Z. B. HI-Z TECHNOLOGY)

Mehrere zu Modulen zusammengesetzte Thermopaare aus blockbildenden, mehr als 100 µm dicken Halbleitern (Dickschicht-TEGs). Diese lassen sich auf ebenen und flexiblen Untergründen, z. B. Glasflächen oder Membranen, sowohl mechanisch als auch durch Verklebung befestigen. Bisher maximal 75 mm x 75 mm groß, mit einer generierbaren elektrischen Leistung von 19 W, einer elektrischen Spannung von 5 V, einem elektrischen Strom von 8 A, bei einer Temperaturdifferenz von 200 K. Können zur energieautarken Versorgung oder zur energetischen Unterstützung von Makrosystemen sowie als universell nutzbare Stromquelle eingesetzt werden. +

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Marktpräsenz, Generierung von elektrischem Strom bei bereits geringen Temperaturdifferenzen, im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< +230 °C, Heißseiten), vergleichsweise lange Lebensdauer (ca. 500 Std. bis 5.000 Std.). Geringer Wirkungsgrad (4,5 %, modul- und temperaturabhängig), können nicht geknickt und gebogen werden, vergleichsweise teuer (ca. 154 US$/HZ-20-Modul, Hi-Z Technology).

MODULE AUS AUF ELEMENTEN BASIERENDEN, MAKROGROSSEN TEGs (TECHNOLOGIE SAM)

Mehrere zu Modulen zusammengesetzte Elemente aus streifenbildenden Halbleitern (Dünnschicht- oder Dickschicht-TEGs). Sie lassen sich auf ebenen und flexiblen Untergründen, z. B. Glas-Flächen oder Membranen, sowohl mechanisch als auch durch Verklebung befestigen. Die maximale Größe der bisher gefertigten Module (Technologie-Demonstratoren) beträgt 20 mm x 25 mm x 30 mm, mit einer elektrischen Spannung von ca. 2 V, einem elektrischen Strom von ca. 8 A, bei einer Temperaturdifferenz von ca. 400 K. Sie können zur energieautarken Versorgung oder zur energetischen Unterstützung von Mikrobzw. Makrosystemen sowie als universell nutzbare Stromquelle eingesetzt werden. +

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Technologie Micropelt: Illustration PE. | Technologie SCTB NORD: Thermoelektrisches Modul. | Technologie FerroTec: Spezielle Baufor-m von PEs. | Technologie-Demonstrator Technologie SAM: Modul als Schichtenpaket von Elementen. | gegenüber: In Gebäude integrierte Klimaanlage der Versuchsabteilung der RCA auf Basis von PMs, um 1958. I Kühlschrank mit PMs, um 1958.

Generierung von elektrischem Strom (Elektronen-Loch-Paare) bei bereits geringen Temperaturdifferenzen, im unteren bis sehr hohen Temperaturbereich einsetzbar (zukünftig < +1.500 °C Heißseite, komponentenabhängig), zukünftig sehr guter Wirkungsgrad (bis ca. 30 %, modul- und temperaturabhängig), zukünftig vergleichsweise sehr lange Lebensdauer (>100.000 Std., vergleichbar mit Silizium-Solarzellen), zukünftig vergleichsweise preiswert (ca. < 1 EUR/W). Fehlende Marktpräsenz, können nicht geknickt und gebogen werden.

153 | thermoelektrische generatoren (TEG)

Um die Funktionalität von TEGs langfristig zu gewährleisten, dürfen sie nicht über die produktspezifischen Werte hinaus thermisch beaufschlagt werden. Auch dürfen die elektrischen Anschlüsse nicht durch z. B. mechanische Einwirkungen unterbrochen oder beschädigt und damit im Querschnitt reduziert werden. Ein direkter Kontakt mit Wasser, feuchten und/oder aggressiven Medien ist zu vermeiden.

ma^kfh^e^dmkbl\a^`^g^kZmhk^g!M>@"7 ikhc^dm^ Zum jetzigen Zeitpunkt sind keine Anwendungen von Thermoelektrischen Generatoren (TEG) in Gebäudehüllen zur Generierung von elektrischem Strom bekannt. Die gegenwärtig vor allem in den USA und Europa bekannten Forschungen versuchen den Peltier-Effekt in Gebäudehüllen zu nutzen, um Räume durch aktive Kühlungs- und Erwärmungsprozesse zu klimatisieren. Dass dieser Gedanke nicht neu ist, zeigt eine frühe Entwicklung der amerikanischen Firma RCA, die neben Bell Telephone und Westinghouse Ende der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts an unterschiedlichen Anwendungen mit „thermionic converters“ arbeitete und um 1958 eine entsprechend ausgestattete elektronische und vibrationsfreie Klimaanlage für Gebäude vorstellte, die damals die erste ihrer Art war. Etwa zeitgleich hat RCA einen Kühlschrank mit gleicher Technologie entwickelt. Zur Zeit versucht man Peltier-Elemente (PE) u. a. in mehrlagige Systeme für Gebäudehüllen zu integrieren, z. B. als aktiv klimatisierende Komponenten bei Gewächshäusern eingebunden zwischen zwei konventionellen Glas-Scheiben. Entsprechend ausgestattet könnten sie bei zu starker Wärmeentwicklung im Innern der Glas-Körper durch autark generierten elektrischen Strom zur aktiven Kühlung eingesetzt werden. Als Produkte sind gegenwärtig im Bereich der Architektur u. a. einsetzbar bzw. sollen zukünftig einsetzbar sein: AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

THERMOPAARE zur Herstellung von mikrogroßen TEGs (z. B. Technologie Micropelt) THERMOPAARE zur Herstellung von makrogroßen TEGs (z. B. Hi-Z Technology) ELEMENTE zur Herstellung von makrogroßen TEGs (Technologie SAM) ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

MODULE aus auf THERMOPAAREN basierenden, mikrogroßen TEGs (z. B. Technologie Micropelt) MODULE aus auf THERMOPAAREN basierenden, makrogroßen TEGs (z. B. Hi-Z Technology) MODULE aus auf Elementen basierenden, makrogroßen TEGs (Technologie SAM)

Etwas komplexer ist eine andere Entwicklung aus den USA, bei der PEs mit zwei Heißseiten eingesetzt werden. Bei dem aus zwei Hüllen bestehenden System dient die innere Hülle der aktiven Klimatisierung von Räumen durch flächig integrierte, zweiseitig aktiv beheizbare PEs, während die äußere Hülle der Generierung der erforderlichen elektrischen Ströme durch die flächige Anordnung von Photovoltaik-Elementen dient. Falls die Kosten zukünftig wie vorausgesagt bei unter 1 EUR/Watt liegen sollten, könnten TEGs auch in Gebäudehüllen Anwendungen finden, beispielsweise durch Integration von entsprechenden Konvertern in textile Membranhüllen für Wohn- oder Freizeitgebäude. Zu diesem Zweck könnte zunächst eine Membran mit elektrisch leitenden Garnen auf konventionelle Weise gewebt und mit z. B. PVC beschichtet werden und anschließend eine automatisierte Fertigungsstraße durchlaufen, um einzelne TEG-Module in einem zuvor erstellten Muster so zu applizieren, dass ein elektrischer Kontakt entsteht.

154 | stromgenerierende smart materials

PIEZOELEKTRISCHE SMART MATERIALS > MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE Entsprechende Smart Materials sind aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften in der Lage, bei Deformationen aufgrund von mechanischen Beanspruchungen, z. B. Druck, elektrische Ladungen zu generieren. Für den Bereich der Architektur sind zur Zeit folgende piezoelektrische Smart Materials interessant: PIEZOELEKTRISCHE KERAMIKEN (PEK) PIEZOELEKTRISCHE POLYMERE (PEP)

Weitere piezoelektrische Smart Materials sind: PIEZOELEKTRISCHE EINKRISTALLE

Zu den piezoelektrischen Einkristallen gehören beispielsweise natürliche Quarzkristalle und Turmalinkristalle, die über gute piezoelektrische Eigenschaften verfügen, aber in der technischen Anwendung von untergeordneter Bedeutung sind. Kristalle von Seignette-Salzen wurden früher u. a. zur Herstellung von Tonabnehmern eingesetzt. Heute werden insbesondere in den Anwendungsbereichen Sensorik und Aktorik überwiegend polykristalline Keramiken und nun auch Polymere eingesetzt.

ib^sh^e^dmkbl\a^d^kZfbd^g(iherf^k^ !I>D%I>I"7fZm^kbZeb^g Piezoelektrische Keramiken (PEK) und Piezoelektrische Polymere (PEP), kurz Piezokeramiken und Piezopolymere, engl.: Piezoelectric Ceramics und Piezoelectric Polymers, sind anorganische oder organische Materialien, die bei mechanischer Beanspruchung aufgrund von Deformationen durch Ladungsverschiebungen elektrische Ladungen auf den Oberflächen generieren. Umgekehrt lassen sie sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung in ihrer Form verändern. Diese Phänomene werden als piezoelektrischer Effekt und inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Der piezoelektrische Effekt wurde 1880 von den Brüdern Curie an natürlichem Rochelle-Salz (Seignette-Salz), Turmalin- und Quarzkristallen festgestellt. Sie fanden heraus, dass bei mechanischer Beanspruchung auf Kristalloberflächen elektrische Ladungen entstehen, die sich proportional zur Beanspruchung verhalten. Zu den ersten Anwendungen gehörten Ultraschallwandler und Schwingquarze für die Frequenzstabilisierung. 1950 wurde an Walter P. Kistler ein Patent für einen Ladungsverstärker erteilt, was der piezoelektrischen Messtechnik zum Durchbruch verhalf. Etwa 10 Jahre später wurden erste piezoelektrische Sensoren entwickelt. 1969 wurde erstmals über die Entdeckung von hochaktiven („highly active“) piezoelektrischen Polymer-Materialien berichtet. Ende des 20. Jahrhunderts entwickelte ein finnisches Unternehmen einen quasi-piezoelektrischen Elektret-Film, der vor allem als Sensor in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt wird. Als Materialien bzw. Komponenten aus dem Bereich der PEK werden allgemein u. a. eingesetzt: DOTIERTE ANORGANISCHE KOMPOSIT-KERAMIKEN

Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Blei-Magnesium-Niobat (PMN), Barium-Titanat (BaTiO3). Als Materialien bzw. Komponenten aus dem Bereich der PEP werden allgemein u. a. eingesetzt: ORGANISCHE POLYMERE

Polyvinylidenfluorid (PVDF). Elektrisches Feld mech. Spannung

Als Materialien bzw. Komponenten aus dem Bereich der QPEP werden allgemein u. a. eingesetzt: ORGANISCHE ELEKTRET-POLYMERE

Polyolefine (Polyethylen (PE), Polypropylen (PP).

Schematische Darstellung des piezoelektrischen und inversen piezoelektrischen Effekts am Beispiel der kubischen und tetragonalen Struktur von BleiZirkonat-Titanat (PZT) und Barium-Titanat (BaTiO 3).

155 | piezoelektrische keramiken/polymere (PEK, PEP)

Für den Bereich der Architektur sind bzw. können in absehbarer Zeit folgende elektrische Ladungen generierende Komponenten von Bedeutung sein: BLEI-ZIRKONAT-TITANAT (PZT)

Anorganischer Stoffverbund aus Blei (Pb), Sauerstoff (O) und Titan (Ti) oder Zirkonium (Zr). Durch Dotierungen mit Fremdatomen lassen sich so genannte harte und weiche Keramiken herstellen. Weiche Keramiken lassen sich leichter durch elektrische Felder verändern als harte. Ihre piezoelektrischen Eigenschaften erhalten sie nach einer thermoelektrischen Behandlung durch Sintern und anschließendes Polarisieren unter dem Einfluss eines elektrischen Gleichstrom-Feldes. Es wird u. a. für Hochvolt-Aktoren eingesetzt. +

−

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, langjährige Erfahrungen, nahezu beliebige Formbarkeit, hohe Steifigkeit, hohe Dielektrizitätszahl, vergleichsweise preisgünstig gegenüber PVDF. Empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, geringe Zug- und Scherbelastbarkeit, toxisch.

POLYVINYLIDENFLUORID (PVDF)

Teilkristalliner, aus den Grundmaterialien Fluorwasserstoff und Methylchloroform synthetisierter thermoplastischer Kunststoff. Seine piezoelektrische Eigenschaft erhält er nach einer mechano-elektrischen Behandlung durch Recken und anschließendes Polarisieren unter dem Einfluss eines elektrischen Gleichstrom-Feldes. Dieser wird u. a. für Sensoren eingesetzt. +

−

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, hohe Elastizität, nicht toxisch, unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, vergleichsweise preiswert gegenüber PZT. Eingeschränkte Formbarkeit, geringe UV-Beständigkeit.

POLYOLEFINE (POLYETHYLEN (PE), POLYPROPYLEN (PP))

Teilkristalline, aus Olefinen wie Ethylen oder Propylen in Gegenwart von Katalysatoren durch Polymerisation synthetisierte thermoplastische Kunststoffe. Ihre quasi piezoelektrischen Eigenschaften erhalten sie nach einer elektrischen Behandlung durch elektrostatische, permanente Aufladung von zuvor unter Hochdruck injizierten Gasblasen. Sie werden u. a. für Sensoren eingesetzt. +

−

SEM-Aufnahme der Kristall-Struktur von Barium-Titanat (BaTiO 3), digital eingefärbt. I Verschiedene piezokeramische Pulver. I SEM-Aufnahme von mehrlagigem Elektret-Film auf Polyolefin-Basis.

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, hohe Elastizität, nicht toxisch, unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Nur im unteren Temperaturbereich einsetzbar (–20 °C bis +50 °C), eingeschränkte Formbarkeit, geringe UV-Beständigkeit, vergleichsweise teuer gegenüber PZT.

156 | stromgenerierende smart materials

ib^sh^e^dmkbl\a^d^kZfbd^g(iherf^k^ !I>D%I>I"7ikh]ndm^ Piezoelektrische Keramiken (PEK) und Piezoelektrische Polymere (PEP) können sowohl zur Generierung elektrischer Ladungen unter dem Einfluss mechanischer Beanspruchungen und den daraus resultierenden Deformationen als auch zu Deformationen unter dem Einfluss elektrischer Felder eingesetzt werden. Während der piezoelektrische Effekt im Wesentlichen im Bereich der Sensorik seine Anwendung findet, nutzt man den inversen piezoelektrischen Effekt vor allem im Bereich der Aktorik. Als piezoelektrische Generatoren wurden entsprechende Keramiken und Polymere bisher nur untergeordnet eingesetzt, da die erzielbaren Leistungen und elektrischen Ströme mit den zur Zeit erhältlichen Produkten im Vergleich zu beispielsweise Solarzellen nur sehr gering ausfallen. Während große, international tätige Hersteller von piezokeramischen Materialien und Produkten keine oder nur am Rande eigene Generatoren entwickelt und auf den Markt gebracht haben, spezialisierten sich einige wenige Firmen auf die Entwicklung und Vermarktung von Generatoren unterschiedlicher Größe für den Einsatz in energieautarken mikro- und makrogroßen Systemen im Bereich der Sensorik. Einige dieser Produkte wurden gezielt für den Einsatz in der Architektur entwickelt, z. B. von elektrischer Versorgung unabhängig betreibbare Funksensoren in Schaltern. Auch wurden Folien entwickelt, die u. a. unter den Laufbelägen von Fußböden eingesetzt werden können und deren Ladungsänderungen bei Druck, beispielsweise beim Begehen, sich gezielt zur Indikation von z. B. Lasten nutzen lassen. Grundsätzlich lassen sich auch Aktoren aus piezokeramischen Materialien als Generatoren einsetzen. Im Wesentlichen eignen sich dazu so genannte Biegewandler (Biegeaktoren), die im Vergleich zu linear arbeitenden Aktoren vergleichsweise große Stellwege aufweisen können. Für den Einsatz im Bereich der Architektur sind sie interessant, da mit vergleichsweise einfachen Mitteln Schwingungen an Gebäuden, die etwa durch Wind und/oder durch Bewegungen von Personen induziert werden, zur Generierung von elektrischen Ladungen genutzt werden können.

Technologie PI Ceramic: Unterschiedliche Multilayer-Biegeaktoren mit Anschlussdrähten; Mikroprozessor dient zum Größenvergleich. | Unterschiedliche Multilayer-Biegeaktoren mit integrierten Positionssensoren. | Unterschiedliche keramisch isolierte Multilayer-Linearaktoren. | Unterschiedliche vorgespannte Multilayer-Linearaktoren, teilweise mit Anschlussdrähten ausgestattet. | CFK-Struktur mit integriertem Multilayer-Linearaktor (PICA-Aktor).

157 | piezoelektrische keramiken/polymere (PEK, PEP)

Entsprechend sind u. a. folgende Produkte aus PEKs und PEPs zur Zeit erhältlich bzw. sollen zukünftig erhältlich und auch im Bereich der Architektur einsetzbar sein: MULTILAYER-BIEGEAKTOREN (BIEGEWANDLER) AUS BLEI-ZIRKONAT-TITANAT (PZT) (Z. B. TECHNOLOGIE PI CERAMIC)

Streifenförmige monolithische Biegewandler aus ca. 50 µm dicken Piezokeramik-Schichten mit internen Silber-Palladium-Elektroden und keramischer Isolation. Sie lassen sich abhängig von der Bauform einseitig oder beidseitig einspannen. Sie können u. a. als piezoelektrische Generatoren, energieautarke Sensoren (piezoelektrischer Effekt), zur Mikropositionierung und Schwingungstilgung (inverser piezoelektrischer Effekt) von mikround makrogroßen Systemen eingesetzt werden. +

−

Marktpräsenz, im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< +250 °C, u. a. von PZT-Modifikation abhängig), vergleichsweise große Stellwege gegenüber MultilayerLinearaktoren realisierbar (> 2 mm; u. a. größen- und spannungsabhängig), bei keramischer Isolation weitgehend unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, sehr lange Lebensdauer (>1.000.000 Zyklen). Sonst wie für PZT genannt. Erzielen als Generator nur vergleichsweise geringe elektrische Spannungen (< ±30 V), Deformationen müssen unterhalb der zulässigen Beanspruchungsgrenzen liegen, d. h. max. 10 % über den als Aktor realisierbaren Stellwegen, vergleichsweise geringe Stellkräfte gegenüber Multilayer-Linearaktoren erzielbar.

MULTILAYER-LINEARAKTOREN (STAPELTRANSLATOREN, LINEARWANDLER) AUS BLEI-ZIRKONAT-TITANAT (PZT) (Z. B. TECHNOLOGIE PI CERAMIC)

Linearwandler aus z. B. ca. 25 µm bis 100 µm dicken block- oder scheibenförmigen, gestapelten Piezokeramik-Schichten mit internen Elektroden, die zu Monolithen zusammengesintert werden. Sie lassen sich auf ebenen Untergründen sowohl mechanisch, z. B. durch Einspannung, als auch durch Verklebung der Fuß- und/oder der Kopfstücke befestigen. Sie können u. a. als piezoelektrische Generatoren, energieautarke Sensoren (piezoelektrischer Effekt), zur Mikropositionierung und Schwingungstilgung (inverser piezoelektrischer Effekt) von mikro- und makrogroßen Systemen eingesetzt werden. +

−

Technologie Mirow: Unterschiedliche Polymerfilm-Sensoren (Druckwandler) aus piezoelektrischen PVDF-Folien: Piezo-Sensorarray für Strömungsanalysen. | Sieben nebeneinander platzierte Piezo-Sensoren auf transparentem Kunststoffträger. | Sensorband zur Pulsdatenerfassung. | 50-fach Biegesensor für Crashversuche.

Marktpräsenz, im unteren bis mittleren Temperaturbereich einsetzbar (< +250 °C, u. a. von PZT-Modifikation abhängig), sehr lange Lebensdauer (>1.000.000 Zyklen), bei keramischer Isolation weitgehend unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Sonst wie für PZT genannt. Erzielen als Generator nur vergleichsweise geringe elektrische Spannungen (< ±30 V), Deformationen müssen unterhalb der zulässigen Beanspruchungsgrenzen liegen, d. h. max. 10 % über den als Aktor realisierbaren Stellwegen, vergleichsweise kleine Stellwege gegenüber Multilayer-Biegeaktoren realisierbar (< 200 µm, u. a. größen- und spannungsabhängig).

158 | stromgenerierende smart materials

Weitere Bauformen von Aktoren auf der Basis von PEKs sind: STREIFENAKTOREN (KONTRAKTOREN) ROHRAKTOREN (TUBEN) SCHERAKTOREN PIEZOMECHANIKEN MIT INTEGRIERTER HEBELÜBERSETZUNG PIEZOSTELLTISCHE POLYMERFILM-SENSOREN (DRUCKWANDLER) AUS POLYVINYLIDENFLUORID (PVDF) (Z. B. TECHNOLOGIE MIROW)

Flächige Composite aus ein- oder mehrlagigen transparenten Folienschichten (Filmen) aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), beidseitig von dünnen elektrisch leitenden Schichten, z. B. aus aufgedampften Metallen, Metall-Folien oder leitfähigen Kunststoff-Folien, umgeben, die als Elektroden dienen. Weitere, z. B. schutzbildende Schichten aus PET können ergänzt werden. In unterschiedlichen Abmessungen erhältlich. Sie lassen sich auf ebenen, runden und flexiblen Untergründen sowohl mechanisch als auch durch Verklebung befestigen. Sie können u. a. als energieautarke Sensoren (piezoelektrischer Effekt) und zur Deformierung (inverser piezoelektrischer Effekt) von mikro- und makrogroßen Komponenten bzw. Systemen eingesetzt werden. +

−

Marktpräsenz, lange Lebensdauer (>1.000.000 Zyklen), hohe Druckbelastbarkeit, stoßunempfindlich, können unterschiedlich zugeschnitten werden, können geknickt werden (abhängig von eingesetzten Elektroden). Sonst wie für Polyvinylidenfluorid (PVDF) genannt. Nur vergleichsweise geringe bis mittlere elektrische Spannungen erzielbar (< ±200 V/µm), Deformationen müssen unterhalb der zulässigen Beanspruchungsgrenzen liegen). Sonst wie für Polyvinylidenfluorid (PVDF) genannt.

ELEKTRET-POLYMERFILM-SENSOREN (DRUCKWANDLER) AUS POLYOLEFINEN (Z. B. TECHNOLOGIE EMFIT)

Flächige Composite aus mehrlagigen Folienschichten auf Polyolefin-Basis mit eingeschlossenen, elektrostatisch geladenen Gasblasen, beidseitig von dünnen Aluminium-Folien umgeben, die als Elektroden dienen. Weitere, z. B. schutzbildende Schichten aus PET können ergänzt werden. In unterschiedlichen Abmessungen erhältlich, beispielsweise als Rollen mit 580 mm Breite. Sie lassen sich auf ebenen und flexiblen Untergründen, z. B. auf oder unter Fußbodenbelägen, auf Sitz- und Liegeflächen, sowohl mechanisch als auch durch Verklebung befestigen. Sie können u. a. als energieautarke Sensoren (quasi-piezoelektrischer Effekt) eingesetzt werden. Zur Leistungsverstärkung können sie zusätzlich mit Spannungs- oder Ladungsverstärkern, zur optischen und/oder akustischen Indikation mit so genannten Kontrolleinheiten, die zur Zeit separate Stromquellen erfordern, verschaltet werden. +

Technologie Emfit: Schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise eines Elektret-Polymerfilm-Sensors. | Zusammengerollter Elektret-Polymerfilm-Sensor mit Anschlusskabel zur Verbindung mit einer Kontrolleinheit. | Technologie EnOcean: PiezoFunksendemodul PTM 100 mit Musterwippe.

−

Marktpräsenz, lange Lebensdauer (> 1.000.000 Zyklen), hohe Druckbelastbarkeit, stoßunempfindlich, können unterschiedlich zugeschnitten werden. Sonst wie für Polyolefine genannt. Nur vergleichsweise geringe bis mittlere elektrische Spannungen erzielbar (< ±200 V/µm), Deformationen müssen unterhalb der zulässigen Beanspruchungsgrenzen liegen, können nicht geknickt werden. Sonst wie für Polyolefine genannt.

159 | piezoelektrische keramiken/polymere (PEK, PEP)

Um die Funktionalität von Produkten aus PEKs und PEPs langfristig zu gewährleisten, dürfen diese nicht über die produktspezifischen Werte hinaus mechanisch oder elektrisch beaufschlagt werden. Elektrische Anschlüsse dürfen nicht durch z. B. mechanische Einwirkungen unterbrochen oder beschädigt und dadurch im Querschnitt reduziert werden. Ein direkter Kontakt mit feuchten und/oder aggressiven Medien ist bei PEKs auch nach einer entsprechenden Isolation noch problematisch und ist daher zu vermeiden.

Als Produkte sind gegenwärtig im Bereich der Architektur u. a. einsetzbar bzw. sollen zukünftig einsetzbar sein: AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

MULTILAYER-BIEGEAKTOREN (Biegewandler) aus bzw. mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) (z. B. Technologie PI Ceramic) MULTILAYER-LINEARAKTOREN (Stapeltranslatoren, Linearwandler) aus bzw. mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) (z. B. Technologie PI Ceramic) STREIFENAKTOREN (Kontraktoren) aus bzw. mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) (z. B. Technologie PI Ceramic) ROHRAKTOREN (Tuben) aus bzw. mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) (z. B. Technologie PI Ceramic) SCHERAKTOREN aus bzw. mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) (z. B. Technologie PI Ceramic) PIEZOMECHANIKEN mit integrierter Hebelübersetzung mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) (z. B. Technologie PI Ceramic) PIEZOSTELLTISCHE mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) (z. B. Technologie PI Ceramic) POLYMERFILM-SENSOR (Druckwandler) aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) (z. B. Technologie Mirow) ELEKTRET-POLYMERFILM-SENSOR (Druckwandler) aus Polyolefinen (z. B. Technologie Emfit) CFK-STRUKTUR mit z. B. integrierten Multilayer-Linearaktoren (Stapeltranslatoren, Linearwandler) mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) (z. B. Technologie PI Ceramic) PIEZO-FUNKSENDEMODUL (Technologie EnOcean) FUSSBODEN mit Elektret-Polymerfilm-Sensor (Druckwandler) aus Polyolefinen (z. B. Technologie Emfit)

160 | stromgenerierende smart materials

ib^sh^e^dmkbl\a^d^kZfbd^g(iherf^k^ !I>D%I>I"7ikhc^dm^ Der Einsatz von Biegeaktoren im Bereich der Architektur wird zur Zeit u. a. an verschiedenen Hochschulen untersucht. Beispielsweise wurde 1998 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) der Sonderforschungsbereich 409: Adaptive Strukturen im Flugzeugbau und Leichtbau eingerichtet und mittlerweile abgeschlossen, in dem u. a. auch deren Einsatz für entsprechende Anwendungen geprüft wurde. Einen Schwerpunkt bildet der Einsatz von Komponenten aus piezoelektrischen Materialien zur aktiven Schallreduktion und zur Schwingungsdämpfung von Bauteilen. Dazu wird u. a. mit Forschungseinrichtungen aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt und der Materialforschung zusammengearbeitet. Neben der Nutzung des inversen piezoelektrischen Effekts gibt es auch bereits einige Anwendungen von Produkten, die den piezoelektrischen Effekt nutzen. Beispielsweise wurden in Büroräumen in der Bürostadt aviva MUNICH in München, Deutschland, batterielose Piezo-Funkschalter zur Betätigung der Jalousien und der Beleuchtung installiert. Durch die Funktechnologie entfällt die Verlegung von Kabeln und das Anbringen von Unterputzdosen. Entsprechend flexibel können Innenwände ohne größeren Montageaufwand versetzt werden. Auch der Einsatz von Elektret-Polymerfilm-Sensoren eröffnet interessante Möglichkeiten. Diese ausgesprochen druckempfindlichen und gleichzeitig sehr dünnen Sensoren können beispielsweise unter Fußbodenbelägen eingebaut werden. In Finnland wurden 2005 versuchsweise die Böden von zwei Gefängniszellen einer kleinen Polizeistation damit ausgestattet. Die Sensoren wurden zwischen die Betonoberflächen der Unterkonstruktion und dem Laufbelag aus Linoleum verlegt. Falls Gefangene die Zellen verlassen und die Polizeistation unbesetzt ist, wird eine benachbarte Station über ein digitales Mobilfunknetz alarmiert. In Japan wurde mit dem Kaimin System ein vollständig mit Sensoren ausgestattetes System für den Einsatz in „intelligenten Räumen“ entwickelt, bei dem entsprechende Polymerfilm-Sensoren als Schlaf-Sensoren an den Kopfteilen von Betten eingesetzt werden sollen.

Gebäude mit Solarzellen (Südseite) und Windfedern (Wind Quills, Nordseite), die an piezoelektrische Zellen angeschlossen sind: MATscape, Mitchell Joachim, Lara Greden, Whitney Jade Foutz, Wendy Meguro, Luis Rafael Berrios-Negron (2005).

161 | piezoelektrische keramiken/polymere (PEK, PEP)

AhpEb`amBl MATERIALIEN, PRODUKTE, PROJEKTE Sie sind aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften in der Lage, Energie in Form von Wärme und Kälte (negative Wärme) latent zu speichern. Für den Bereich der Architektur sind zur Zeit vor allem folgende latent wärmespeichernde Smart Materials interessant: PHASE CHANGE MATERIALS (PCM).

Andere Materialien und Produkte mit vergleichsweise hoher Wärmespeicherkapazität und/oder vergleichsweise geringer Wärmeableitung zählen in der Regel nicht zu den Smart Materials. Sie werden hier nicht näher behandelt.

iaZl^\aZg`^fZm^kbZel!I10 Regenerationszyklen, über einen vergleichsweise sehr großen Temperaturbereich einsetzbar (< –30 °C bis > +80 °C), als Trockenmittel, Feuchtigkeitspuffer und Abdichtung durch feuchtigkeitsabhängige Volumenänderung einsetzbar, können u. a. zu Lehmziegeln oder Lehmputz verarbeitet werden. Sonst wie zuvor genannt. Mögliche Volumenänderung kann u. U. unerwünscht sein. Sonst wie für Silicagele genannt.

AKTIVIERTE BENTONITE, NATÜRLICHE NATRIUM-BENTONITE

Tonmineralien mit überwiegend Natrium-Ionen in den Zwischenschichten, aktivierte Bentonite, natürliche Natrium-Bentonite dienen u. a. der Abdichtung von Erdschichten. Sie lassen sich durch Anwesenheit von Luft generieren. +

−

Vergleichsweise lange Lebensdauer (>10 Regenerationszyklen), über einen vergleichsweise sehr großen Temperaturbereich einsetzbar (< –30 °C bis > +80 °C), als Feuchtigkeitspuffer und Abdichtung durch feuchtigkeitsabhängige Volumenänderung einsetzbar. Können nicht oder nur bedingt zu Lehmziegeln oder Lehmputz verarbeitet werden

LEHME

Aus unterschiedlichen Anteilen bestehende Gemische aus Ton, Sand und weiteren Komponenten. +

−

Über einen vergleichsweise sehr großen Temperaturbereich einsetzbar (< –30 °C bis > +80 °C), als Feuchtigkeitspuffer einsetzbar, können u. a. zu Lehmziegeln oder Lehmputz verarbeitet werden, unbedenkliche Verwertung möglich. Sonst wie für Silicagele genannt. Vergleichsweise geringes Adsorptionsvermögen, geringere Adsorptionsgeschwindigkeit gegenüber Silicagelen, Calcium-Bentoniten und Zeolithen.

ZEOLITHE

Natürliche und synthetisch hergestellte Aluminosilikate mit ausgeprägter Käfigstruktur. Natürliche Zeolithe werden u. a. als wärmeemittierende Smart Materials eingesetzt, synthetische Zeolithe werden u. a. zur Trocknung von Gasen (z. B. Luft) eingesetzt, als Pulver und Granulate erhältlich, die unterschiedlich weiterverarbeitet werden können. Sie lassen sich bei Temperaturen von +250 °C bis +400 °C oder durch Druckerniedrigung (Evakuierung) regenerieren. +

−

Silicagel-Granulate ohne und mit Indikator. | Silicagel-Granulate mit Indikator Methylorange in ungesättigtem (inaktiv) und gesättigtem (aktiv) Zustand. | Bentonit-Granulate. | SilicagelBeutel. | Gips-Bauplatten mit Zeolith.

Vergleichsweise lange Lebensdauer (>10 Regenerationszyklen), über vergleichsweise sehr großen Temperaturbereich einsetzbar (< – 30 °C bis > 400 °C), als Trockenmittel, Filtrationsmittel, Katalysator zur Umwandlung von Schadgasen und wärmeemittierendes Smart Material einsetzbar. Sonst wie für Silicagele genannt. Vergleichsweise hohe Regenerationstemperaturen erforderlich. Sonst wie für Silicagele genannt.

Auf die hygroskopische Wirkung von Gips wird aufgrund der Bekanntheit hier nicht weiter eingegangen.

178 | materieaustauschende smart materials

fbg^kZebl\a^Z]&(Z[lhk[^gmb^g!F:]%F:["7 ikh]ndm^ Mineralische Adsorbentien (MAd) wie Silicagele und aktivierte Tonerde werden in dehydriertem Zustand als Trockenmittel, z. B. zur Trennung von Gasen und eingelagertem Wasserdampf, eingesetzt. In teilhydriertem Zustand werden sie als wasserdampfsensible Feuchtepuffer in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt, z. B. um Luftfeuchte in Räumen und Transportbehältnissen konstant zu halten. Entsprechende MAds finden sich beispielsweise in Museen, in Vitrinen mit feuchtigkeitsempfindlichen Ausstellungsgegenständen wie Bildern und metallhaltigen Fundstücken. Zur besseren Handhabbarkeit und aus Gründen des Staubschutzes werden sie u. a. in wasserdampfdiffusionsoffenen Beuteln verpackt, und bei Verwendung eines Farbindikators wird mindestens eine Seite des Beutels durch Verwendung einer transparenten oder transluzenten Folie ausreichend blickoffen ausgelegt. Schlauchförmige Folien werden abschnittsweise mit MAds gefüllt und als Streifen in unterschiedlicher Länge angeboten, entweder mit unterschiedlichen Füllungen oder eigens für den Einsatz in Gebäuden unter Verwendung von Silicagel. Um die Ausbildung von Pilzen und deren Sporen vor allem während des Einbaus in noch feuchten, leichten Holzbaukonstruktionen zu vermeiden, werden mehrere Streifen von innen vor die raumabschließende Bekleidung eingebracht. Mineralische Absorbentien (MAb) sind u. a. bekannt als feuchtigkeits- und geruchsabsorbierende Katzenstreus, bei denen u. a. Bentonit verwendet wird. Bentonite werden auch in der Architektur eingesetzt. Neben Calcium-Bentoniten können aktivierte Bentonite und natürliche Natrium-Bentonite als Stütz- und Gleitsuspension eingesetzt werden. Letztere werden auch zu Matten und Paneelen verarbeitet, bei denen sie in Textilien bzw. Pappen unterschiedlich eingebunden sind. Einsatzgebiete sind neben dem Wasser-, Straßen-, Tunnel- und Deponiebau der Einsatz als Dichtungen im Erdbau im Bereich von Kellerwänden, Gebäudetrennfugen, Fundamenten u.ä. Die dichtende Wirkung dieser Produkte beruht auf ihrem Vermögen, durch die Absorption von vergleichsweise großen Mengen an wässrigen Komponenten und das damit verbundene Aufquellen abdichtende Gele zu bilden, durch die eventuelle Risse und andere Fehlstellen gefüllt bzw. verschlossen werden. Durch den sich einstellenden Quelldruck werden die Produkte in ihrer Lage zusätzlich fixiert. Neben losen Schüttungen aus pulverförmigen und unterschiedlich granulierten MAds und MAbs sind vor allem folgende Produkte für den Bereich der Architektur interessant: BEUTEL MIT MAds

Durch dampfdiffusionsoffene Folien oder Papiere eingeschlossene MAds, u. a. zur Trocknung von Luft in Transportbehältnissen oder elektronischen Geräten. +

−

Band (Streifen) mit MAb (Bentonit) | Einbau von Bändern und Matten mit MAb (Bentonit) | Abdichtende Wirkung von Matten mit MAb (Bentonit) | Matte (Geotextil) mit MAb (Bentonit).

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, leicht applizierbar, vergleichsweise geringe oder keine Staubfreisetzung, können in unterschiedlichen Konstruktionen an- und eingelagert werden, unterschiedliche Produkte erhältlich, bieten mechanischen Widerstand und Widerstand gegenüber direktem Wasser, vergleichsweise preiswert. Sonst wie für MAds genannt. Nicht überall erhältlich, für bestimmte Anwendungen ggf. Zulassung in einigen Ländern erforderlich, vergleichsweise weniger gute Luftumströmung und geringere Adsorptionsgeschwindigkeit gegenüber nicht folierten MAds, bei Verwendung von Papieren alleine nicht ausreichend feuerbeständig (Brandschutz). Sonst wie für MAds genannt.

179 | mineralische ad-/absorbentien (MAd, MAb)

STREIFEN MIT MAds

Durch dampfdiffusionsoffene Folien oder Papiere eingeschlossene MAds, u. a. zur Trocknung von mit Restfeuchte behafteten Bauteilen, z. B. aus Holz. + −

Können freihängend befestigt werden. Sonst wie zuvor und für MAds genannt. Wie zuvor und für MAds genannt.

GIPSBAUPLATTEN MIT MAds

In Gips-Bauplatten eingeschlossene Zeolithe (Typ Clinoptilolith), zur Zeit erhältlich mit den Abmessungen 2.000 mm bzw. 3.000 mm x 1.200 mm bzw. 1.300 mm x 12,5 mm, können wie herkömmliche Gipsbau- und Faserzement-Platten verarbeitet werden, vorzugsweise zur Raumluftverbesserung durch Umwandlung und partielle Bindung von Schadgasen und Fremdgerüchen, auch zur Adsorption von Wasserdampf geeignet. +

−

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, leicht applizierbar. Sonst wie für MAds genannt. Vergleichsweise teuer gegenüber konventionellen Gips-Bauplatten. Sonst wie für MAds genannt.

BÄNDER (STREIFEN) MIT MAbs

In Matrix eingebundene Bentonite (z. B. natürliches Natrium-Bentonit), die ggf. einseitig mit einem stabilisierenden, textilen Gewebe und/oder zur Befestigung mit einem Bauteil mit einem Klebestreifen beschichtet sind, zur Zeit erhältlich z. B. mit den Abmessungen 25 mm x 12 mm und 25 mm x 19 mm, vorzugsweise zur Abdichtung von erdberührenden Bauteilen gegen wässrige Lösungen, z. B. Grundwasser, lassen sich bedingt durch Anwesenheit von Luft regenerieren. +

Als architekturrelevante Produkte sind bislang entwickelt worden oder erhältlich: AUSGANGS- ODER ENDPRODUKTE:

PULVER aus MAds bzw. MAbs (z. B. Calcium-Bentonit) GRANULATE aus MAds bzw. MAbs (z. B. Silicagel) ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

BEUTEL mit MAds (z. B. Calcium-Bentonit) BÄNDER (Streifen) mit MAds bzw. MAbs (z. B. Silicagel) GIPSBAUPLATTEN mit MAds (Zeolith, Typ Clinoptilolith) MATTEN (Platten) mit MAbs (z. B. natürliches Natrium-Bentonit) PANELS mit MAbs (z. B. natürliches Natrium-Bentonit)

−

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich einsetzbar (–18 °C bis +80 °C), leicht applizierbar, u. a. als Abdichtung durch wasserabhängige Volumenänderung einsetzbar, vergleichsweise lange Lebensdauer (>10 Regenerationszyklen), vergleichsweise gute UV-Beständigkeit, nicht brennbar, mechanische Schwingungsunempfindlichkeit, wartungsfrei. Für bestimmte Anwendungen nicht ausreichend formstabil, vergleichsweise geringe Absorptionsgeschwindigkeit gegenüber nicht-gebundenen, z. B. pulverförmigen MAbs und SAPs.

Weitere Produkte mit MAbs sind u. a.: MATTEN MIT MAbs PANEELE MIT MAbs

180 | materieaustauschende smart materials

fbg^kZebl\a^Z]&(Z[lhk[^gmb^g!F:]%F:["7 ikhc^dm^ Als Mineralische Adsorbentien (MAd) sind in der Architektur bisher vor allem Bentonite eingesetzt worden. In großem Umfang werden diese in suspendierter Form zur Abdichtung von Erdreich im Grundbau eingesetzt. Auch sind Kartonagen auf dem Markt, die Bentonit in pulvriger und grob granulierter Form enthalten. Diese werden bei so genannten braunen Wannen zur Abdichtung von Gebäudeuntergeschossen an den Außenwänden und im Bereich der Fundamente flächig angebracht. Durch auftretendes Wasser, beispielsweise stehendes Grundwasser oder versickerndes Oberflächenwasser, quellen sie an den Rändern und anderen Fehlstellen auf und dichten so gegen weiteren Wasserzutritt ab. Neben Calcium-Bentoniten werden auch stärker quellfähige Natrium-Bentonite eingesetzt, die den Mineralischen Absorbentien (MAb) zugeordnet werden können. Vergleichsweise neu sind multifunktionale akustisch wirksame Gips-Bauplatten mit MAds, die neben den eigentlichen schallabsorbierenden und luftfeuchtepuffernden Funktionen auch die Raumluft durch die Bindung bzw. Umwandlung von Geruchs- und Schadstoffen verbessern können. Erste Projekte wurden bereits mit diesem Produkt realisiert.

181 | mineralische ad-/absorbentien (MAd, MAb)

]b^_Z[kbd Mono Smart Material | Monosmarte Anwendung Gas-/wasserspeicherndes Smart Material: GIPS-BAUPLATTEN MIT ZEOLITH Schallabsorption, Luftreinigung

Marco Duchow, Alexander Duchow, Deutschland Industriedenkmal mit multifunktionaler, katalytischer Gips-BauplattenDecke | Cottbus, Deutschland (2005) Zur Nutzung als Call Center sollte der stützenfreie Großraum im Dachgeschoss des Industriedenkmals die fabrik in Cottbus insbesondere im Hinblick auf eine gute Raumakustik umgebaut werden. Beauftragt wurden die Architekten Marco und Alexander Duchow aus Hamburg, die dem historischen Raum, in dem einst Schwerlastwebstühle arbeiteten und der von einer tonnenförmigen Dachkonstruktion überspannt wird, einen modernen Charakter gaben, ohne die Ästhetik der alten Fabrik außer Acht zu lassen. Nachdem man sich über die Vorzüge einer neuartigen, durch den Zusatz von Zeolith auch zur Verbesserung der Raumluftqualität einsetzbaren, akustisch wirksamen Gips-Bauplatte bei einem großen deutschen Hersteller informiert hatte, entschied man sich für deren Einbau und kleidete die Unterseiten der Dachkonstruktion bogenförmig damit aus. Durch den Gips als wesentlicher Komponente (90 %) verfügt die Platte über eine feuchtigkeitsregulierende Funktion, die durch die zusätzliche Einlagerung von katalytisch wirkendem Zeolith-Pulver (Clinoptilolith, < 10 %) zusätzlich in der Lage ist, unterschiedliche Geruchs- und Schadstoffe zu binden bzw. umzuwandeln. Die einzelnen physikalischen und chemischen Vorgänge sind in aller Einzelheit zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht vollständig geklärt. Die Möglichkeit reiner Ad- und Absorptionsvorgänge ohne eine Umwandlung dieser Stoffe wird, ebenso wie eine mögliche Sättigung der Platten im Laufe der Zeit, ausgeschlossen. Durch Versuche wurde nachgewiesen, dass u. a. Zigarettenrauch und darin enthaltene Schadstoffe wie Formaldehyd und Acetaldehyd, ebenso Gerüche aus Teppichböden und Matratzen und die darin enthaltenen Dodecene, Benzol aus z. B. Automobil-Abgasen und Farben u.ä. sowie aromatische Kohlenwasserstoffe aus z. B. Druckerzeugnissen und Reinigungsmitteln deutlich abgesenkt werden können.

die fabrik: Ansicht bei Nacht. | Blick in das Call Center mit luftreinigender Decke aus gebogenen Gips-Bauplatten mit Zeolith.

182 | materieaustauschende smart materials

Z[lhk[^gm(lni^kZ[lhk[^gmiherf^kl !:I%L:I"7fZm^kbZeb^g Absorbent Polymers (AP) sind synthetisch hergestellte, hydrophil ausgestattete, räumlich vernetzte Polymere, die flüssige Komponenten (z. B. Wasser, wässrige Lösungen, Öl) an ihre inneren Oberflächen an- und in das freie Volumen einlagern können und davon abhängig ihr Volumen, ihre Dichte und/oder optische Eigenschaften reversibel ändern können. Eine flüssige Komponente darf auch unter Druck nicht freigesetzt werden. Durch Modifikationen an den langkettigen Molekülen können sie für unterschiedliche Einsatzzwecke angepasst und optimiert werden. Für die Verwendung in der Architektur ist insbesondere ihre Eigenschaft, Wasser und wässrige Lösungen in großem Umfang und ggf. mit großer Geschwindigkeit absorbieren zu können, interessant. Gegenwärtig sind u. a. APs erhältlich, die abhängig von der zu absorbierenden Flüssigkeit, dem Sorbens, das 30-fache, bei salzfreiem Wasser das 500-fache, ihres Ausgangsvolumens an Flüssigkeit in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum absorbieren können. Je nach der Art des Sorbens, der Menge der eingesetzten absorbierenden Polymer-Granulate und dem Verhältnis Oberfläche/Volumen sind Zeiträume von wenigen Sekunden bis wenigen Minuten möglich. Diese werden als Superabsorber oder Superabsorbierende Polymere (SAP), engl.: Superabsorbent Polymers (SAP) bezeichnet. Vor der Entwicklung von SAPs wurde statt dessen u. a. stark saugende Zellulose eingesetzt, u. a. im Hygienebereich, etwa in Höschenwindeln von Babys. 1986 wurde in Deutschland die weltweit erste technische Anlage zur Produktion von SAPs in Betrieb genommen. Seitdem wurde Zellulose als Absorbent in entsprechenden Produkten in zunehmendem Maße durch SAPs ersetzt und neue Geschäftsfelder etwa in der Landwirtschaft, wo sie als Bodenhilfsstoffe eingesetzt werden, wurden erschlossen. Neben Deutschland zählen zur Zeit die USA und Japan zu den bedeutendsten Herstellerländern. Als Materialien bzw. Komponenten werden allgemein u. a. eingesetzt: ORGANISCHE VERBINDUNGEN

Sodium Polyacrylate.

ZUSÄTZLICHE KOMPONENTEN

Farbstoffe, Duftstoffe, Geruchsabsorber, Silicate, Gesteinsmehle. Materialien bzw. Komponenten zur Herstellung von APs und SAPs müssen unter Umständen vergleichsweise hohe Zyklenzahlen beim Austausch von flüssigen Komponenten durchlaufen können, ohne dass sich ihr Absorptionsverhalten nennenswert verschlechtert. Entsprechend dürfen sich auch nach mehr als 10 Zyklen keine Kapazitätsverluste und keine wesentliche Abnahme der Absorptionsgeschwindigkeit einstellen. Zu den Anforderungen kann auch gehörten, dass APs und SAPs besonders UV-stabil ausgerüstet sind und keine leichtflüchtigen toxischen Komponenten enthalten.

183 | absorbent/superabsorbent polymers (AP, SAP)

Für den Bereich der Architektur können u. a. folgende APs und SAPs interessant sein: VERNETZTE SODIUM POLYACRYLATE

Räumlich vernetzte, hydrophil ausgestattete Polymere, die ihrer Verwendung entsprechend modifiziert werden. Synthetische Herstellung durch Polymerisation unterschiedlicher Komponenten. Sie können anschließend zu Pulvern und Granulaten weiterverarbeitet werden. Für unterschiedliche Anwendungen erhältlich. Sie lassen sich u. a. durch Kontakt mit stehenden, bewegten und/oder erwärmten Luftmassen regenerieren. +

−

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, langjährige Erfahrungen, über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich einsetzbar (< –10 °C bis > +80 °C), durch mögliche geringe Korngröße geeignet z. B. zum Befüllen von Beuteln, u. a. als Wasserabsorber, reversibel von opak zu transluzent schaltend (Hydrogele), als wärmeemittierendes (Verdunstungskälte erzeugendes) Smart Material einsetzbar, kann u. a. mit Farbstoffen, Duftstoffen, Geruchsabsorbern, Silikaten, Gesteinsmehlen versehen werden, bei eingelagertem Wasser nicht brennbar, mechanische Schwingungsunempfindlichkeit, wartungsfrei. Zum Teil vergleichsweise kurze Lebensdauer (< 10 Regenerationszyklen), zum Teil geringe UV-Beständigkeit, weniger gute Luftumströmung und geringere Absorptionsgeschwindigkeit bei Verklumpung.

Z[lhk[^gm(lni^kZ[lhk[^gmiherf^kl !:I%L:I"7ikh]ndm^ Hauptanwendungsgebiete von Absorbent Polymers (AP) und Superabsorbent Polymers (SAP) sind der Hygienebereich sowie die Landwirtschaft. Als Bodenhilfsstoffe können sie einem natürlichen Boden oder einem Ersatzboden aus z. B. gebranntem porösem Ton untergemischt werden oder auch als einzige Komponenten eines synthetischen Bodens eingesetzt werden. Zusätzlich können ihnen Nährsubstrate zugesetzt werden. Speziell für diesen Bereich sind unterschiedliche Produkte entwickelt worden. Weitere Anwendungen sind der Einsatz bei Hochspannungs-Unterwasserkabeln, um Wassereintritt im Falle von Beschädigungen zu vermeiden, sowie bei Verpackungen. Vergleichsweise neu ist eine Entwicklung eines Stuhls, in dessen Polsterung der Rückenlehne SAPs eingebunden sind. So kann während der Nutzung der entstehende Schweiß gebunden werden und während der Ruhephase durch den Kontakt mit der Raumluft wieder entweichen. Obwohl nicht speziell für die Verwendung in der Architektur entwickelt, sind sowohl APs als auch SAPs auch für den Bereich von flachen und flach geneigten Dächern einsetzbar. Im Agrarbereich entstanden mit mineralischen Komponenten versetzte Composit-SAPs als Bodenverbesserer speziell für problematische Boden- und Klimaverhältnisse, die man zukünftig auch bei Dachbegrünungen einsetzen möchte.

Superabsorber-Pulver aus SAP in unterschiedlich gesättigten Zuständen.

184 | materieaustauschende smart materials

Neben den unterschiedlich abgestuft erhältlichen, pulverförmigen und grob granulierten Absorbentien, die durch zusätzliche eingelagerte Komponenten weiter optimiert werden können, sind verschiedene Zwischen- und Endprodukte erhältlich. Außer losen Schüttungen aus pulverförmigen und unterschiedlich granulierten APs und SAPs sind vor allem Produkte, die zusammen mit anderen Komponenten als Composites erhältlich sind, für den Bereich der Architektur interessant: Non Composites: HYDRO-KRISTALLE AUS APs

Vielfach eingefärbte Granulate aus vernetztem, normalabsorbierendem Polyacrylat, werden mit unregelmäßigen Geometrien bis etwa 4 mm Korngröße hergestellt und u. a. zur kontinuierlichen Versorgung von Pflanzen mit Wasser und ihrer gleichzeitigen Fixierung in Behältnissen eingesetzt. +

−

Vergleichsweise gutes Regenerationsverhalten, können in unterschiedlichen Konstruktionen an- und eingelagert werden, vergleichsweise geringe Neigung zur Verklumpung gegenüber pulverförmigen APs und SAPs. Sonst weitgehend wie für vernetzte Sodium Polyacrylate genannt. Nicht überall erhältlich, für bestimmte Anwendungen ggf. Zulassung erforderlich, vergleichsweise geringe Absorptionsgeschwindigkeit gegenüber pulverförmigen SAPs. Sonst weitgehend wie für vernetzte Sodium Polyacrylate genannt.

SUPERABSORBER-PULVER AUS SAPs

Weiße Fein-Granulate aus vernetztem, superabsorbierendem Sodium Polyacrylat, werden mit unregelmäßigen Geometrien bis etwa 1 mm Korngröße hergestellt und u. a. zur Herstellung von unterschiedlichen Composites, zur schnellen Absorption unterschiedlicher flüssiger Medien (z. B. Wasser, Körperflüssigkeiten und Öl) sowie zur kontinuierlichen Versorgung von Pflanzen mit Wasser eingesetzt. +

−

Technologie Rascor: Verpressung von lila eingefärbtem AP in Arbeitsfuge. | Schnitt durch Band-Composite mit leerem AP-Kanal (oberhalb Schaumstoff-Band). | Eingebautes BandComposite mit noch nicht verpresstem AP.

Können in unterschiedlichen, z. B. textilen Konstruktionen an- und eingelagert werden. Sonst wie für vernetzte Sodium Polyacrylate genannt. Nicht überall erhältlich, für bestimmte Anwendungen ggf. Zulassung in einigen Ländern erforderlich, geringe Desorptionsgeschwindigkeit im Vergleich zur Absorptionsgeschwindgkeit, vergleichsweise große Neigung zur Verklumpung gegenüber grob granulierten APs und SAPs. Sonst wie für vernetzte Sodium Polyacrylate genannt.

185 | absorbent/superabsorbent polymers (AP, SAP)

Composites: BAND-COMPOSITES MIT APs

Unmittelbar vor der Applikation aus zwei flüssigen Komponenten erzeugtes, zunächst unvernetztes, später normalabsorbierendes Hydrogel aus Polyacrylat, das in bandförmige, mit einem zusätzlichen Schaumstoff-Band ausgestattete Hohlkammer-Kunststoffprofile verpresst wird. Zur Zeit erhältlich mit den Abmessungen 30 mm x 20 mm x 2.000 mm. Sie werden zur Absorption von wässrigen Lösungen und zur Abdichtung, z. B. gegenüber drückendem Grundwasser, eingesetzt. +

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Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich einsetzbar (< –10 °C bis > +60 °C), können in unterschiedlichen Konstruktionen an- und eingelagert werden, u. a. als Wasserabsorber einsetzbar, Indikation von Hydrogel durch irreversiblen Farbwechsel (z. B. lila zu farblos), vergleichsweise lange Lebensdauer, wartungsfrei. Nicht überall erhältlich, vergleichsweise geringes Absorptionsvermögen und geringe Absorptionsgeschwindigkeit gegenüber z. B. pulverförmigen SAPs.

AGRO-COMPOSITES MIT SAPs (Z. B. TECHNOLOGIE GEOHUMUS)

Verbundgranulate aus vernetztem, superabsorbierendem Sodium Polyacrylat, eingelagerten Silikaten und Gesteinsmehlen, werden mit unregelmäßigen Geometrien bis etwa 4 mm Korngröße hergestellt und u. a. zur kontinuierlichen, unterstützenden Versorgung von Pflanzen und gleichzeitig zur Bodenauflockerung eingesetzt. +

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Technologie Geohumus: Agro-Composite mit SAP in ungequollenem Zustand. | Demonstration des Quellungsvermögens an einer komprimierten Würfel-Probe. | Pflanze mit SAP im Wurzelbereich. | Anzuchtversuch in einem Gewächshaus der Justus-Liebig-Universität Gießen.

Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich einsetzbar (< –10 °C bis > +80 °C), wegen geringer Korngröße z. B. geeignet zum Befüllen von Beuteln, u. a. als Wasserabsorber, als wärmeemittierendes (Verdunstungskälte erzeugendes) Smart Material einsetzbar, vergleichsweise lange Lebensdauer (>10 Regenerationszyklen), vergleichsweise gute UV-Lichtbeständigkeit, nicht brennbar, mechanische Schwingungsunempfindlichkeit, wartungsfrei. Nicht überall erhältlich, nicht reversibel von opak zu transluzent schaltend (mineralische Komponenten).

186 | materieaustauschende smart materials

SCHICHT-COMPOSITES MIT SAPs

Vielfach pulverförmige Granulate aus vernetztem, superabsorbierendem Sodium Polyacrylat, das zwischen z. B. textilen Schichten, ggf. zusammen mit Zellulose, eingelagert ist. Sie werden mit unregelmäßigen Geometrien hergestellt und u. a. zur Absorption von Flüssigkeiten in Verpackungen eingesetzt. +

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Marktpräsenz, in großen Mengen herstellbar, abhängig von den eingesetzten Schichten und den verwendeten SAPs über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich einsetzbar (< –10 °C bis > +80 °C), u. a. als Wasserabsorber, als wärmeemittierendes (Verdunstungskälte erzeugendes) Smart Material einsetzbar, vergleichsweise gute UVLichtbeständigkeit, mechanische Schwingungsunempfindlichkeit, wartungsfrei. Abhängig von den eingesetzten Schichten und SAPs vergleichsweise kurze Lebensdauer (< 10 Regenerationszyklen), vergleichsweise weniger gute Luftumströmung und geringere Absorptionsgeschwindigkeit gegenüber nicht beschichteten APs und SAPs, abhängig von den eingesetzten Schichten brennbar.

Z[lhk[^gm(lni^kZ[lhk[^gmiherf^kl !:I(L:I"7ikhc^dm^

Als architekturrelevante Produkte sind gegenwärtig u. a. entwickelt worden bzw. erhältlich: AUSGANGS- BZW. ENDPRODUKTE:

FEIN-GRANULATE (Pulver) aus APs, SAPs GROB-GRANULATE (z. B. Kristalle) aus APs, SAPs ZWISCHEN- BZW. ENDPRODUKTE:

BAND-COMPOSITES mit APs AGRO-COMPOSITES mit SAPs SCHICHT-COMPOSITES mit SAPs FOLIEN mit APs

Während schon vereinzelt Dachbegrünungen mit Superabsorbent Polymers (SAP) als Bodenhilfsstoffe durchgeführt werden, ist dennoch der Einsatz von Absorbent Polymers (AP) und SAPs in der Architektur derzeit noch von untergeordneter Bedeutung. Bei problematischen Böden und in überwiegend warmen und trockenen Klimaverhältnissen, beispielsweise in Wüstengebieten (aride Gebiete), könnten sie zukünftig auch im größeren Maßstab insbesondere bei der Aufzucht und zur dauerhaften Unterhaltung von Vegetationsschichten verwendet werden. Möglich ist auch der Einsatz entsprechender Polymere zur Feuchtigkeitsregulation, indem Regenwasser gezielt gesammelt, ggf. zwischengespeichert und bei Bedarf, etwa bei zu trockener Raumluft und/oder erhöhten Oberflächentemperaturen, an entsprechende Bauteile mit Außenoder Innenluftberührung weitergeleitet wird. Denkbar wären etwa Tapeten, Wandbespannungen und Raumteiler mit eingelagerten APs und/oder SAPs, wobei zur Fixierung ausreichend grobe Vliese eingesetzt werden könnten, um Granulate auch nach einer vollständigen Absorption unverrückbar einzubinden. Membranen, etwa aus ETFE-Folien oder Textilien, ließen sich zur Einlagerung von APs und SAPs mit taschen- oder blasenförmigen Erweiterungen versehen.

187 | absorbent/superabsorbent polymers (AP, SAP)

Ar]kh&:[lhk[^k&?heb^g Mono Smart Material | Monosmarte Anwendung Wasserspeicherndes Smart Material: FOLIE MIT APs Wasserabhängig lichttransmissionsvariierende Flächen und Hüllen

Axel Ritter, Deutschland Wassergesteuerte lichttransmissionsvariierende Folien | Deutschland (1994) Wie APs in Folien-Membranen zur Gestaltung lichttransmissions- und farbvariierender Gebäudehüllen integriert werden können, zeigen diese beiden Technologie-Demonstratoren. Eingebunden in die halbkugelförmigen Erweiterungen einer handelsüblichen Luftpolsterfolie, wurden farbig eingefärbte Granulate aus APs auf ihre Tauglichkeit geprüft, die Transparenz von Folien-Membranen durch den Einfluss von Wasser und den sich bildenden Hydrogelen nachhaltig zu verändern. Zu diesem Zweck wurden in die halbkugelförmigen Erweiterungen einer handelsüblichen Luftpolsterfolie AP-Kristalle eingebracht, die sich aufgrund der Schwerkraft am unteren Rand einer jeden Zelle anhäuften, so dass die Transparenz der Folie weitgehend erhalten blieb. Die Zellen wurden zur Erzielung der maximalen Quellvolumina etwa zur Hälfte mit Wasser befüllt; durch den Kontakt damit wurden die Quellungen bei den Kristallen initiiert und so die Veränderungen hinsichtlich Transmissionseigenschaft und Farbigkeit herbeigeführt.

Hydro-Absorber-Folien: Detail mehrerer Zellen mit etwa zur Hälfte aufgequollenen Kristallen (semitransparent: transparent/opak). | Mehrere Zellen mit teils vollständig, teils nicht aufgequollenen Kristallen (semitransparent: transparent/opak). | Mehrere Zellen mit vollständig aufgequollenen Kristallen (opak).

jn^ee^g BÜCHER, ZEITSCHRIFTENAUFSÄTZE, INTERNETPUBLIKATIONEN

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VORTRÄGE DES AUTORS ZUM THEMA Häuser mit IQ – Die smarten Eigenschaften des Wassers als Auslöser komplexer Veränderungen am Haus, Gastvortrag

http://www.bayermaterialscience.de http://www.bine.info http://www.chempage.de http://www.dyesol.com http://www.eamex.co.jp http://www.e-ink.com http://www.el-licht.de http://www.el-technik.de http://www.emfit.com http://www.empa.ch http://www.enocean.com http://www.functionalpolymers.basf.com http://www.innovations-report.de http://www.inhaus-duisburg.de http://www.ise.fhg.de http://www.oled.at http://www.photochromics.co.uk http://www.privalite.com http://www.rinspeed.com http://www.sam-tetec.com http://www.seilnacht.com http://www.storelite.com http://www.tagesleuchtfarben.ch http://www.tii.se/static.htm http://www2.uni-jena.de/chemie/institute/oc/weiss.htm http://www.we-make-money-not-art.com http://de.wikipedia.org

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HOCHSCHULEN, INSTITUTE Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf Forschungszentrum Jülich (FZ Jülich), Jülich Fraunhofer Institut Angewandte Polymerforschung (IAP), Potsdam-Golm Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Freiburg

Fraunhofer Technologie Entwicklungsgruppe (TEG), Stuttgart Philipps-Universität, Marburg Technische Universität Berlin, Physikalische und Theoretische Chemie, Berlin Universität des Saarlandes, Fachbereich Organische Chemie, Saarbrücken

THEMATISCH RELEVANTE VERÖFFENTLICHUNGEN DES AUTORS Airship hangar wins textiles design prize, Veröffentlichung einer Entwurfsarbeit über eine pneumatisch wandelbare Luftschiffhalle mit bivalenter Tragstruktur – Luftschiffhalle Friedrichshafen, in: Technical Textiles International, November 1995 Airship hangar designed with textile structure, Veröffentlichung einer Entwurfsarbeit über eine pneumatisch wandelbare Luftschiffhalle mit bivalenter Tragstruktur – Luftschiffhalle Friedrichshafen, in: High Performance Textiles, November 1995 Veröffentlichung einer Entwurfsarbeit über eine pneumatisch wandelbare Luftschiffhalle mit bivalenter Tragstruk-

tur – Luftschiffhalle Friedrichshafen, in: TechtextilTelegramm, Dezember 1995 A pneumatic convertible, Veröffentlichung einer Entwurfsarbeit über eine pneumatisch wandelbare Luftschiffhalle mit bivalenter Tragstruktur – Luftschiffhalle Friedrichshafen, in: fabrics & architecture, 01-02 1995 Dreilagige Textilhülle von 157 m Länge, Veröffentlichung einer Entwurfsarbeit über eine pneumatisch wandelbare Luftschiffhalle mit bivalenter Tragstruktur, in: TechnikerMagazin, Juni 1995 Veröffentlichung einer Entwurfsarbeit über ein gewichtgesteuertes Gebäude durch die Kinetic Design Group des Massachusetts Institute of Technology (MIT), unter: http://kdg.mit.edu/Matrix/matrix.html, seit Dezember 1999 Veröffentlichung einer Entwurfsarbeit über eine reagible mechanische Membran, in: Wallpaper*, Dezember 2002 Veröffentlichung einer Wettbewerbsarbeit über ein Gebäude mit einer reagiblen, struktur- und lichtdurchlässigkeitsveränderbaren mechanischen Fassade, durch:

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Ausstellung der Aufsichts- und Dienstleistungsdirektion Trier im Kurfürstlichen Palais, Trier; Ausstellung der Verbandsgemeinde Verwaltung Hermeskeil, Hermeskeil, Oktober 2003 ANMERKUNGEN ZUM TEXT [1] http://kdg.mit.edu/Matrix/matrix.html [2] Hofmeister, Sabine: Der beabsichtigte Zufall und die gewollten Veränderungen im malerischen Werk Sigmar Polkes, Diplomarbeit, Institut für Technologie der Malerei, Stuttgart, Mai 1993 [3] van Hees, Rob: Laboratory Profile: Conservation Techniques, unter: http://www.tudelft.nl/~ [4] E-Mail von Herrn Herbert Enzler, technischer Mitarbeiter des Instituts für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der TU Clausthal vom 14.11.2005 [5] Schmidt-Mende, P.: Aktoren mit Formgedächtnislegierungen, in: Jendritza, Daniel J. u.a.: Technischer Einsatz Neuer Aktoren – Grundlagen, Werkstoffe, Designregeln und Anwendungsbeispiele, 2. Aufl., expert-Verlag: RenningenMalmsheim, 1998 [6] E-Mail von Herrn Dipl. Masch.-Ing. ETH Patrick Lochmatter, Eidgenössische Materialprüfungsund Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf vom 22.06.2006 [7] Bouas-Laurent, H.; Dürr, H.: Organische Photochromie (engl. Orig.: Organic Photochromism), in: Angewandte Chemie, Nr. 116, 2004, S. 3404 bis S. 3418 [8] Helioseal Clear Chroma – farbverändernd, transparent, ästhetisch, Firmenschrift der Ivoclar Vivadent AG, Schaan, Lichtenstein [9] Stephan, Jörg: Beitrag zum Greifen von Textilien, Dissertation, Fachbereich 11 Maschinenbau und Produktionstechnik der Technischen Universität Berlin, Berlin, Februar 2001 [10] Keramische Fliesen mit Hydrotect OberflächenVeredelung, Firmenschrift der Deutsche Steinzeug Cremer & Breuer AG, Bonn [11] Blasse, Grabmeier, 1994 [12] Mann, Martin: ... und es leuchten die Wände, in: hobby – Das Magazin der Technik, Nr. 8, August 1957, S. 74 bis 77 [13] Elektronik, 12/2002

BILDNACHWEIS AGROB BUCHTAL: 99 oben, 106, 107 (Fotos: Pez Hejduk)

© Alsa: 82, 85 © Anja-Natalie Richter: 64 © atelier brückner: 13, 14 oben (alle Fotos: Thomas Mayer) © Autostadt: 14 unten © Axel Ritter: 11 links (Fotos: Axel Ritter); 15, 46 oben (Grafik: Axel Ritter); 52 (Grafik: Axel Ritter); 57, 58 (Fotos: Axel Ritter); 76 links 1., 2. und 3. von oben; 81; 91; 100; 113 (Foto: Axel Ritter); 162, 163 (Fotos: Axel Ritter); 174 (Foto: Axel Ritter); 177 2. von oben (Foto: Axel Ritter); 183; 187 (Fotos: Axel Ritter) © BASF: 165; 167 links, rechts 1. von oben; 170 Bayer: 20 2. und 3. von oben © Behr Thermot-tronik: 49, 50 © BMW Group: 21 rechts © Bryan Boyer: 46 unten; 71 © Bugatti: 16 © Christina Kubisch: 116 © Christopher Glaister, Afshin Mehin, Tomas Rosen: 88 © CLOUD 9 (Enric Ruiz Geli): 128; 129 © 2006 Cute Circuit: 18; 20 1. von oben © DaimlerChrysler: 21 links 4. von oben © Daniel Pelosi: 41 3. und 4. von oben dECOi Architects: 12 © Deutsche Steinzeug Cremer & Breuer: 101; 102; 104 1. von oben © DieMount: 126 links 3. von oben, rechts 1. von oben © Ewald Dörken AG: 166 2. und 3. von oben; 167 rechts 2. von oben © Dyesol: 144 1., 2. und 3. von oben; 145; 147 © EADS: 62 east Hamburg: 104 4. von oben Eike Becker Architekten: 78 © E Ink / Citizen: 93 1. von oben © E Ink / LG.Philips LCD: 93 2. von oben © E Ink / Polymer Vision: 93 3. von oben © E Ink / Toppan Printing: 95 rechts 1. von oben © Emfit: 155 3. von oben; 158 1. und 2. von oben © EMPA: 66; 67; 68; 69 © EnOcean: 158 3. von oben © EunSook Lee: 110 unten; 117 © European Bioplastics: 30 1. von oben (Foto: Treofan), 2. von oben (Foto: Novamont) © Felix Hess: 161 © FerroTec: 152 3. von oben

© Fludicon GmbH: 38 links 1. von oben, rechts © Fraunhofer IAP: 83 (Fotos: Armin Okulla); 84 (Foto: Armin Okulla); 138 (Foto: Armin Okulla) © Fraunhofer ISE: 76 rechts; 77; 144 4. von oben; 146 © Fraunhofer TEG: 149 3. von oben Freihofer: 29 links 2. von oben, rechts 1. und 2 von oben © FZ Jülich: 155 1. von oben © 2006 G+B pronova: 32 rechts © Geohumus International: 185 © Gesimat: 92 1. und 4. von oben; 95 links 1. von oben © GKD / ag4: 127 rechts © GlassX: 164 (Foto: Gaston Wicky); 166 1. von oben (Foto: GlassX); 168 (Foto und Grafiken: GlassX); 171, 172 (Fotos: Gaston Wicky) © G. Rau: 53; S.54; 55; 56; 61 © Gruppe RE (Silke Warchold, Nicole Hüttner): 23 rechts (Fotos: Lucas Roth); 119 2. und 3. von oben (Fotos: Sabrina Rothe) © Grado Zero Espace: 17, 19 links 1., 2. und 4. von oben © Hannaliisa Hailahti: 124 hobby – Das Magazin der Technik, Nr. 8, August 1957, 74, 75 und 77: 132 1. und 2. von oben hobby – Das Magazin der Technik, Nr. 11, November 1958, 164: 153 © Jaithan Kochar: 42 rechts 2. und 3. von oben © James Robinson: 74 1. und 2. von oben; 75 © KieranTimberlake Ass.: 140; 141 © Knauf Gips: 177 rechts 2. von oben (Foto: Albert Weisflog); 181 (Fotos: Albert Weisflog) © J. Mayer H.: 72 (Foto: Uwe Walter); 87 © Juliet Quintero: 123 Kowa / Kirakira-Komichi: 120; 121 oben Kowa / Mamoru Nanba: 119 1. von oben © LBL: 92 2. und 3. von oben © LBM: 40 © Lichtpapier (Anke Neumann): 114 1. und 2. von oben (Fotos: Anke Neumann); 121 2. und 3. von oben (Fotos: Anke Neumann); 132 3. und 4. von oben lif Germany: 127 links 3. von oben © Loop.pH (Rachel Wingfield, Mathias Gmachl): 133; 134 © 2004-2006 Lord Corp.: 38 links 2., 3. und 4. von oben © 2006 LUMINEX: 23 links

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© Merck: 31 © 2006 Messe Frankfurt Exhibition GmbH: 19 links 3. von oben (Foto: Jean-Luc Valentin); 20 2. von oben (Foto: Jean-Luc Valentin) © 2006 Michael Bleyenberg: 34; 35 © Micropelt: 151; 152 1. von oben © Minimax: 48 2. und 3. von oben © Mirow Systemtechnik: 157 © Mitchell Joachim: 11 rechts Mitchell Joachim, Lara Greden, Whitney Jade Foutz, Wendy Meguro, Luis Rafael Berrios-Negron: 142; 160 © National Museum of Emerging Science and Innovation: 39 © NAUE: 178 4. von oben © 2006 NO-CONTACT (Adam Whiton, Yolita Nugent): 19 rechts © Norbulb Sprinkler Elemente: 48 © Novaled: 135 oben; 136; 137 1. und 2. von oben; 139 2. und 3. von oben © OKER-Chemie: 177 links 1. und 3. von oben, rechts 1. von oben © 2004 Olafur Eliasson: 33 © Osram Opto Semiconductors: 126 links 1., 2. und 4. von oben, rechts 2. von oben; 135 unten; 137 3. von oben; 139 1. von oben © Permalight: 118 1. von oben © Peter Linnett, Tobi Blunt: 51 © Peter Marino Architects: 96 links; 97 rechts © Peter Yeadon: 42 links, rechts 1. von oben © Philipps-Universität / N. Hampp: 74 3. und 4. von oben; 76 links, 4. und 5. von oben © PI Ceramic: 154; 155 2. von oben; 156 © Prinz Optics: 32 links © Rascor International: 184 © RC TRITEC: 111 oben; 112; 118 2. und 3. von oben © Rinspeed: 21 links 1., 2. und 3. von oben © RPM/Belgium N.V.: 176; 178 1., 2. und 3. von oben © R&Sie... (François Roche): 10 © Ruth Handschin: 110 oben; 114 3. von oben; 115; 122 © SAM – Span and Mayrhofer: 149 links 1. und 2. von oben, rechts 1. und 2. von oben; 152 4. von oben © SCTB NORD: 152 2. von oben © SensiTile Systems: 37 © SGG: 94; 95 links 2. von oben, rechts 2. von oben; 96 rechts; 97 links; 103 © 2006 Sharon M. Louden, courtesy of the Artist and Oliver Kamm/5BE Gallery: 25

© SHARP: 41 2. von oben Sigmar Polke: 24; 86 Solitech – Innovative Solartechnik: 127 © Taiyo: 104 2. und 3. von oben © Taiyo / Obayashi Corp.: 99 unten; 105 Technische Universität Berlin / G. Hauck: 80 © Interactive Institute / Front design: 79 © Interactive Institute: 22 © UIUC: 28 wikimedia.org: 59; 98; 111 unten; 150 © Würth Solar / Universität der Künste Berlin: 41 1. von oben © Yvonne Chan Vili: 65 © Zigan Displays: 130