Gan Huang, KIT
Forscher am KIT haben ein System entwickelt, das Photovoltaik mit passiver Strahlungskühlung kombiniert und alle drei Energieformen gleichzeitig auf einer Fläche liefert.
Gebäude benötigen bislang separate Anlagen für Strom, Wärme und Kühlung, die auf begrenzten Dach- und Fassadenflächen konkurrieren. Eine Arbeitsgruppe am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat ein hybrides System entwickelt, das alle drei Energieformen gleichzeitig auf derselben Fläche bereitstellt. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science (DOI: 10.1016/j.xcrp.2026.103492).
System nutzt Sonnenenergie und Weltraumkälte gleichzeitig
Das hybride Strahlungskühlungs- und Solarsystem der Forschungsgruppe um Dr. Gan Huang vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT kombiniert Photovoltaik mit Passive Daytime Radiative Cooling (PDRC), also passiver Strahlungskühlung. Kernstück ist eine transparente Schicht aus einer Siliziumdioxidplatte, beschichtet mit dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan (PDMS). Diese Schicht lässt Sonnenlicht nahezu ungehindert passieren und gibt gleichzeitig Wärme als Infrarotstrahlung durch das atmosphärische Fenster an den Weltraum ab – einen Wellenlängenbereich, in dem die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung besonders durchlässig ist. Hinter dieser Schicht bündelt eine Fresnel-Linse das Licht auf einen kleineren photovoltaisch-thermischen Kollektor, der Strom und Wärme erzeugt.
Huang beschreibt das Grundprinzip: „Wir zeigen, dass ein einziges System gleichzeitig die Sonne und die Kälte des Weltalls nutzen kann."
Prototyp erreicht messbare Leistungswerte im Freiland
In Freilandversuchen erzielte der Prototyp gleichzeitig eine Kühlung von bis zu 6,5 Grad Celsius unter Umgebungstemperatur, eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 Watt pro Quadratmeter sowie Temperaturen von bis zu 110,8 Grad Celsius für die Wärmenutzung.
Die zentrale konstruktive Herausforderung bestand darin, zwei gegensätzliche Prozesse zu verbinden. Iván Alberto Cruz García, Doktorand am Institut für Mikrostrukturtechnik und Erstautor der Studie, erläutert die Lösung: „Wir haben dieses Problem gelöst, indem das Sonnenlicht zunächst die transparente Kühlschicht durchdringt und erst darunter eine Fresnel-Linse das Licht auf einen deutlich kleineren Solarkollektor bündelt. So bleiben der heiße Solarkollektor und die kühlende Schicht räumlich voneinander getrennt."
Huang veranschaulicht das Spannungsfeld: „Wir bringen ‚Feuer' und ‚Eis' zusammen." Während der Solarkollektor möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen soll, muss der Strahlungskühler kühl bleiben.
Forschende sehen Potenzial für Gebäudehüllen und Rechenzentren
Das aktuelle System baut auf früheren Arbeiten des Teams auf. 2024 hatte die Gruppe ein transparentes Material vorgestellt, das Gebäude passiv kühlt und gleichzeitig Tageslicht durchlässt. Huang beschreibt den Entwicklungsschritt: „Darauf aufbauend haben wir nun die Strahlungskühlung durch die Komponente zur Nutzung der Solarenergie ergänzt. So wird aus einer einzelnen Oberfläche ein multifunktionales Energiesystem."
Die Studie entstand in Kooperation mit Professor Shanhui Fan von der Stanford University, einem Experten auf dem Gebiet der PDRC. Huang formuliert die übergeordnete Perspektive: „Unsere Vision ist, dass Dächer und Fassaden zu aktiven Energieflächen werden, die gleichzeitig Strom, Wärme und Kühlung bereitstellen. Das Konzept könnte auch für energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und Kühlung benötigen."
Als nächste Schritte planen die Forschenden, die Lichtführung, das Wärmemanagement und die Solarzellen zu optimieren. Huang resümiert den konzeptionellen Rahmen: „Die Sonne ist nicht die einzige Energiequelle am Himmel. Auch die Kälte des Weltraums ist eine erneuerbare Ressource. Wenn wir lernen, die heiße Sonne und die Kälte des Weltalls gemeinsam zu nutzen, können wir eine neue Generation von Energiesystemen erschließen."
Quelle: KIT / oja
