Bioinspirierte Funktionsmaterialien als Aktor und Sensor

Abstract:
Ein bedeutsamer Anteil des globalen Energiekonsums wird für Beheizen und Kühlen von Gebäuden verwendet. Heutzutage wird zumeist versucht das Problem des starken Aufheizens von Gebäuden durch Sonneneinstrahlung in automatisierter Weise durch Anbringen von Verschattungen zu lösen, indem eine Vielzahl von Sensoren und Motoren diese Verschattungen auf- und zufahren. Hohe Kosten für den Betrieb, Wartungen in regelmäßigen Abständen, hoher Energiekonsum und eine oft zu kurze Lebensdauer sind jedoch Folgen dieses hohen Levels an technischer Komplexität. Eine Fassade, die sich selbstständig und ohne Strom bei Sonne beschattet und bei Regen abschirmt, kann den Energieaustausch mit der Umgebung maßgeblich kontrollieren und beeinflusst so das Innenklima des Gebäudes. Dabei kann in beträchtlicher Weise Energie eingespart und auf regelmäßige Wartung verzichtet werden. Eine Bewegung, die gewissermaßen automatisch durch die Veränderungen der Umgebungsbedingungen hervorgerufen wird, kann in der Pflanzenwelt bei hygroskopisch angeregten Pflanzenbewegungen beobachtet werden. Ein Beispiel dafür ist das Öffnen und Schließen eines Koniferen-Zapfens, dessen Mechanismus auf dem Quellen und Entquellen einer zellulären Schicht in einem mehrlagigen System beruht. Ziel des Projekts ist es, die Funktionsweise des biologischen Vorbilds in ein technisches System zu übertragen. Ein hygroskopisches Hydrogel, welches durch Quellen zur bewegungsinduzierenden Schicht (aktive Schicht) wird, und ein Polymerfilm, welcher kein Wasser aufnimmt aber zur Stabilität beiträgt (passive Schicht), werden durch eine gezielte chemische Verankerungsreaktion kovalent miteinander verbunden. Das Quellverhalten des Hydrogels an Luftfeuchtigkeit und dessen Auswirkungen auf den E-Modul wird mit dem des Koniferen Zapfens verglichen, um die exakten physikalischen Bedingungen für die Funktionsweise zu bestimmen.