Das Forschungsteam hat das Fassadensystem „Solar Gate" entwickelt – ein wetterabhängiges, adaptives Verschattungssystem ohne elektrische Antriebsenergie. Die Bewegungsmechanismen von Kiefernzapfen dienten als technisches Vorbild. Diese öffnen und schließen sich bei Veränderungen von Luftfeuchtigkeit und Temperatur ohne Stoffwechselenergie. Das Team reproduzierte die anisotrope (richtungsabhängige) Struktur der Zellulose in Pflanzengeweben mit Standard-3D-Druckern.
Zellulose ist ein natürliches, reichlich vorhandenes und erneuerbares Material, das bei Feuchtigkeitsschwankungen quillt und schrumpft. Diese Eigenschaft, die als Hygromorphie bezeichnet wird, ist in der Natur häufig zu beobachten, beispielsweise beim Öffnen und Schließen der Schuppen von Kiefernzapfen oder bei den Blütenständen der Silberdistel. Das Forschungsteam machte sich diese hygromorphe Eigenschaft zunutze, indem es biobasierte Zellulosefasern maßgefertigt und im 4D-Druckverfahren in eine zweischichtige Struktur gebracht hat, die von den Schuppen des Kiefernzapfens inspiriert ist.
Materialsysteme, die per 4D-Druckverfahren, einem Verfahren der additiven Fertigung, hergestellt werden, können ihre Form als Reaktion auf äußere Einflüsse selbstständig verändern. Für das „Solar Gate“ entwickelten die Forschenden eine computergestützte Herstellungsmethode zur Steuerung der Extrusion von Zellulosematerialien mit einem Standard-3D-Drucker, die das selbstformende und reversible Verhalten von 4D-gedruckten Materialsystemen nutzt. Bei hoher Luftfeuchtigkeit nehmen die Zellulosematerialien Feuchtigkeit auf und dehnen sich aus. Die bioinspirierten, gedruckten Elemente rollen sich ein und öffnen sich. Umgekehrt geben die Zellulosematerialien bei niedriger Luftfeuchtigkeit ihre Feuchtigkeit ab und ziehen sich zusammen, wodurch sich die gedruckten Elemente abflachen und schließen.
Das Forschungsteam testete die Funktionalität und Haltbarkeit des bioinspirierten adaptiven Verschattungssystems über ein Jahr lang unter realen Wetterbedingungen. Dann wurde das „Solar Gate“ an der livMatS Biomimetic Shell angebracht, einem Baudemonstrator des Exzellenzclusters IntCDC und des Exzellenzclusters livMatS, der als Forschungsgebäude der Universität Freiburg dient. Das Verschattungssystem, das an einem nach Süden ausgerichteten Dachfenster installiert ist, unterstützt die Klimaregulierung des Gebäudes. Im Winter öffnen sich die Verschattungselemente und lassen Sonnenlicht herein, so dass der Innenraum sich auf natürliche Weise erwärmt. Im Sommer schließen sie sich und minimieren die Sonneneinstrahlung. Angetrieben werden diese Prozesse ohne elektrische Energiezufuhr, allein durch tägliche und saisonale Wetterveränderungen.
Das „Solar Gate“ stellt somit eine energieautarke und ressourceneffiziente Alternative zu herkömmlichen Verschattungssystemen dar. Da für den Komfort in Innenräumen typischerweise viel Energie benötigt wird und Gebäude einen erheblichen Anteil an den weltweiten Kohlenstoffemissionen haben, sind Lösungen zur Verringerung des Energiebedarfs für Heizung, Kühlung und Lüftung von großer Bedeutung. Das „Solar Gate“ unterstreicht das Potenzial zugänglicher, kostengünstiger Technologien wie der additiven Fertigung und zeigt auf, wie Zellulose als reichlich vorhandenes, erneuerbares Material zu nachhaltigen architektonischen Lösungen beitragen kann.
