Das Fenster der Zukunft

(Photo: Festo)
Tünde Kirstein /

Fenster machen Gebäude wohnlich, ermöglichen Lichtzufuhr und den Blick nach draussen. In Zukunft werden sie aber noch viel mehr Funktionen übernehmen.

Fehlender Blickkontakt zur Aussenwelt ist auf die Dauer nicht nur unangenehm, sondern tatsächlich ungesund. Darum steht etwa im Arbeitsgesetz die Sicht ins Freie als wichtige ergonomische Anforderung. Aber auch als Gestaltungselement sind transparente Fassadenelemente in der Architektur beliebt. Sie verleihen Gebäuden eine gewisse Leichtigkeit und Offenheit. Allerdings hat diese Offenheit durchaus ihre Tücken. Denn im Winter möchten wir wertvolle Heizwärme im Gebäude behalten und im Sommer sollen Hitze und Sonnenstrahlung lieber draussen bleiben. Transparenz und gleichzeitig Wärmedämmung und Sonnenschutz lauten also die gegensätzlichen Anforderungen an Fenster.

Gut gedämmt

Je tiefer der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert), desto besser die Wärmedämmung. Heute haben sich Dreifach-Isoliergläser etabliert. Die Scheibenzwischenräume können mit dem Edelgas Argon oder Krypton gefüllt werden, welche die Wärmedämmung gegenüber Luft um zirka 10 bis 20 Prozent verbessern. Darüber hinaus reduzieren metallische Beschichtungen (Low-E-Glas) den U-Wert noch weiter. Verbesserte Kantenkonstruktionen (wie die sogenannte «warme Kante») sind aus Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, so dass es auch am Fensterrand kaum Schwachstellen hinsichtlich der Dämmung mehr gibt. Mit speziellen Zwischenlagen bei Verbund-Sicherheitsgläsern, Gasfüllungen und der Variation von Glasdicken lässt sich neben Wärme auch Schall effektiv dämmen.

Ein Nachteil dieser Mehrscheibenkonstruktionen ist allerdings, dass sie zunehmend schwer und dick werden. Seit Jahren wird an Vakuum-Isolierglas geforscht, das nur halb so schwer wie Dreifach-Isolierglas ist und traumhafte U-Werte von 0,3 W/(m2K) erreicht. Doch als Standard hat es sich noch nicht durchgesetzt, nicht zuletzt wegen der herausfordernden Randkonstruktion. Es hapert an der Langlebigkeit und der kosteneffizienten Umsetzbarkeit. Einzelne Produkte kommen insbesondere bei der Sanierung von denkmalgeschützten Objekten zum Einsatz, wo keine breiten Fensterprofile möglich sind. Ein vielversprechender Ansatz für die Zukunft sind Vierfach-Isolierfenster aus ultradünnem Glas, an denen zum  Beispiel im EU-Projekt MEM4WIN geforscht wird.

Sonnenstrahlung rein oder raus?

Bei der Heizenergie ist es eindeutig – sie soll am besten im Gebäude bleiben. Bei der Sonnenstrahlung ist die Sache etwas verzwickter. Licht soll nach innen gelangen, aber möglichst so, dass es nicht blendet und die Räume vor allem im Sommer nicht durch die Sonne aufgeheizt werden. Im Winter hingegen ist man froh, wenn Sonnenstrahlen der Heizung etwas Arbeit abnehmen. Von diesen vielen Wünschen erfüllen Sonnenschutzgläser einen Teil. Sie reduzieren den Gesamtenergiedurchlassgrad. Dieser sogenannte g-Wert gibt an, wie viel Energie von der auftreffenden Sonnenstrahlung in den Raum gelangt. Nachteil der Sonnenschutzgläser ist die verminderte Transparenz bzw. Farbigkeit, die im Winter zu dunklen Räumen führen kann. Selektivität heisst da das Zauberwort. Damit meint man Gläser, die das Lichtspektrum selektiv durchlassen – sprich eher das sichtbare Licht als das infrarote.

Noch ausgefuchster sind neuartige Gläser mit schaltbarer Transmission. Elektrochromes Glas verändert durch Anlegen  einer elektrischen Spannung die Lichtdurchlässigkeit. Ein Beispiel ist das dimmbare Glas von Econtrol. Auf Knopfdruck oder automatisch gesteuert verfärbt sich die Wolframoxid-Beschichtung des Glases stufenweise blau. Ähnlich funktioniert das SageGlass von Vetrotech Saint-Gobain, das zum Beispiel im Modissa-Kaufhaus in Zürich verbaut wurde. Merck entwickelt eine andere Art von schaltbaren Gläsern, die wie Displays auf Flüssigkristall-Technologie beruhen und noch schneller auf Lichtveränderung reagieren sollen.

Licht auf dem richtigen Weg

Interessante Effekte lassen sich aber auch ohne Elektronik erzielen, und zwar durch eine geschickte Lichtstreuung oder  -lenkung. Tageslicht mithilfe von Lamellen oder ähnlichen Fassadenelementen in richtige Bahnen zu lenken und so eine gleichmässige Raumausleuchtung zu erreichen, ist nicht neu. Besonders elegant ist es aber, wenn solche Lichtlenkungsstrukturen direkt in der Scheibe integriert sind. Neben Oberflächenstrukturen oder Eintrübungen sind auch Gläser mit besonderen lichtstreuenden Einlagen im Scheibenzwischenraum erhältlich. Möglich sind Holz- oder Metallgitter, kleine Spiegel oder auch innenliegende Lamellen. Kapillarglas von Okalux besteht aus einer Vielzahl von durchsichtigen Kunststoffkammern, die zwischen zwei Vliese eingebunden im Scheibenzwischenraum liegen.

Einen Schritt weiter gehen die Forscher von der EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne). Sie erzeugen winzige Mikrospiegel, indem sie nanostrukturierte Polymerschichten mit Aluminium beschichten und diese dann zwischen  Glasscheiben verkapseln. «Das Besondere sind nicht nur die mikroskopisch kleinen Spiegeldimensionen, sondern auch eine saisonal abhängige Reflexion», erklärt Andreas Schüler von der EPFL. Das heisst, steil einfallendes Licht im Sommer wird stärker reflektiert als schräg einfallendes Licht im Winter.

Multifunktionalität

Das ist aber noch längst nicht alles, was in der Forschungspipeline steckt. Das Fenster der Zukunft soll noch viele weitere Funktionen übernehmen. Bereits seit ein paar Jahren gibt es Gläser, die sich selbst reinigen. Photokatalytische  Beschichtungen mit Titandioxid zersetzen bei UV-Strahlung organische Substanzen, also Schmutz. Ausserdem sind sie  hydrophil, das heisst die Glasfläche wird bei Regen gleichmässig benetzt und abgewaschen. Bei Flachglas Schweiz wird diese Beschichtung unter dem Namen Pilkington Activ angeboten. Vetrotech Saint-Gobain verkauft selbstreinigende Gläser unter dem Namen SGG Bioclean.

Energieerzeugung ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Auftreffende Sonnenstrahlung soll direkt im Fenster Strom oder Heizwärme erzeugen. Dünnschicht-Photovoltaik kann bereits heute als filigrane, lichtdurchlässige Struktur in Fenster eingebaut und zur Stromproduktion genutzt werden. Um solare Wärme zu nutzen, könnte Flüssigkeit oder Luft in den Gläsern zirkulieren. Daran arbeiten Forscher etwa an der Universität Jena. Wie schön wäre es, wenn Fenster nicht nur tagsüber für Licht sorgen würden, sondern auch abends, indem sie selbst leuchten. Dank der Fortschritte in Bereich der organischen Leuchtdioden durchaus keine Utopie.

Generell werden sich Fenster künftig in Richtung multifunktionales Fassadensystem entwickeln. So müssen Bauherren  nicht mehr mühsam einzelne Elemente für Wärme- und Schalldämmung, Sonnenschutz, Lichtlenkung, Stromerzeugung usw. miteinander kombinieren, sondern bekommen ein Bauteil, das alles kann.