Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen

Transkript

1 Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen Martin Vonlanthen Eidgenössisches Hochschulinstitut für Berufsbildung EHB, Zollikofen Version PHBern Institut Sekundarstufe II

2 Nanotechnologie im Gebäude Photovoltaik selbstreinigende Oberflächen Wärmedämmung Baustoffe Beleuchtung Brennstoffzelle Quelle: NANO-4-SCHOOLS

3 Quelle: Bauhaus-Universität-Weimar Zement der älteste Nanotech-Baustoff! Bei der Aushärtung (Hydratation) dieses Bindemittels (z.b. in Beton) entstehen nadelförmige, mikro- bis nanometerfeine Kristalle, die zusammenwachsen und für die Festigkeit des Materials verantwortlich sind. Zuschlagstoffe wie Kies, Sand und Stahlarmierungen werden umschlossen und in den Körperverband aufgenommen. Massgeschneiderte Additive helfen, die Eigenschaften des Zements (Betons) gezielt zu verändern. So verringern z.b. Superverflüssiger den Wasseranteil. Der Zement bleibt trotzdem flüssig und härtet schneller aus. 2 µm Ausblühungen Calciumsilicathydrate Poren in der Zementmatrix

4 Schmutzabweisende Oberflächen Lotuseffekt Eine technische Umsetzung des Naturvorbilds. Die Siliconharzfarbe ist bereits seit Ende der 90er Jahre auf dem Markt. Lotusan enthält nanometerkleine Silikapartikel. Auch Dachziegel mit Lotuseffekt sind schon seit einiger Zeit auf dem Markt. Quellen: NANO-4-SCHOOLS / Sto / Erlus

5 Schmutzabweisende Oberflächen Photokatalytische Selbstreinigung Durch Lichtabsorption (UV-A) werden in nanoskaligen Titandioxid-Teilchen Elektronen und Löcher gebildet, die mit Luftsauerstoffmolekülen reagieren und Oxidationsreaktionen initiieren. Kohlenstoffhaltige Schmutzmoleküle werden verbrannt. TiO 2 Aber auch anorganische Stoffe wie NO und SO x können so weiteroxidiert werden. TiO 2 Glas oder andere Oberfläche Quelle: PdN Chemie in der Schule 3/54

6 Antireflex-Glas Reflexion 100% 1% 1% 100% 4% 4% 2% Absorption Transmission 96% 90% Antireflexschicht: Auf beiden Seiten des Glases wird eine nanometerfeine Schicht poröses Siliziumdioxid (SiO 2 ) aufgetragen. Durch die Porosität dieses vergleichsweise einfachen Einschichtsystems resultiert ein Antireflexverhalten über einen sehr breiten Spektralbereich. So kann die Energiedurchlässigkeit von Glas um 6% erhöht werden. Anwendungspotential: Solarthermie Photovoltaik Gewächshäuser Architektur Quelle: Centrosolar Glas GmBH

7 Nanocoating Versiegelung von Oberflächen Keramik hydrophober Alkylteil H H C H H C H H C H hydrophobes Alkylsilanmolekül Silankopf H C H HO Si OH O H Glas Was früher als Imprägnieren bezeichnet wurde, heisst heute Nanocoating. Eine feine Schicht von wasserabstossenden Molekülen wird haftend auf die zu versiegelnde Oberfläche aufgetragen. Holz

8 Klebstoffe das Beispiel Fliesenkleber Herkömmliche Produkte haben grobe Gefügestrukturen, die neue Nanotech-Alternative ist viel feinteiliger aufgebaut. Die starke Haftung auf der Fliese wird durch das Verzahnen der Nanostrukturen des Klebers in die Poren erreicht. Bei herkömmlichen Produkten ist das Gefüge zu gross. herkömmlicher Kleber Nanotech-Kleber Fliese Quellen:PCI-Nanolight / Degussa

9 Nanostrukturiere Wärmedämmstoffe Silica-Aerogele ( gefrorener Rauch ) sind kolloide Substanzen mit geringer Dichte und hoher Porosität (nur ca. 2 Prozent des Volumens ist Feststoff). Die Partikelgrösse beträgt etwa 10 nm. Flamme Aggregate Agglomerate Eigenschaften: hohe optische Transparenz Dichte: g / cm 3 Wärmeleitfähigkeit 0.1 W/(m 2 K) Schmelzpunkt ca C unbrennbar Anwendungspotential: Wärme- und Schalldämmung Brandschutz Quellen: / Wikipedia

10 Brennstoffzelle Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle eignet sich besonders, um Kraft-Wärme gekoppelte Systeme mit hohem Gesamtwirkungsgrad zu entwickeln. Die elektrische Stromerzeugung liegt dabei bei 1 5 kw für Ein- und Mehrfamilienhäuser. Als Brennstoff eignet sich z.b. Erdgas. Galileo Sulzer Hexis Festoxid-Brennstoffzelle 55 cm x 55 cm x 160 cm 170 kg Brenngas Abgas Die Effizienz der Brennstoffzelle hängt direkt von der Oberfläche und Beschaffenheit des Keramikelektrolyts ab. Je grösser diese Oberfläche ist, desto mehr Elektronen und Sauerstoffradikale können produziert und transportiert werden. e - CH 4 O 2 O 2- H 2 O und CO 2 Keramikelektrolyt e - Quelle: Frischluft Abluft

11 Organische Solarzellen technische Photosynthese Dieser Solarzelltyp wird auch als Grätzel-Zelle bezeichnet (nach dem Erfinder Michael Grätzel von der EPFL Lausanne). Als Halbleiter kommt nanoskaliges Titandioxid zum Einsatz, als Farbstoffe werden UV-stabile Komplexe des Metalls Ruthenium verwendet. Eigenschaften: geringer Energiebedarf bei der Herstellung kostengünstig leicht, flexibel geringer Wirkungsgrad (max.ca. 9%)

12 Besten Dank für die Aufmerksamkeit Quelle: IBM Research Center