Bioinspirierter Sonnenschutz: Solar Gate in Freiburg

Kein Motor, kein Sensor, kein Strom – und doch verschattet dieses System ein Gebäude intelligenter als so manche Hightech-Fassade. Mit dem 2023 abgeschlossenen Projekt Solar Gate demonstrierten Forschende der Universität Stuttgart und der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg einen energieautonomen und materialeffizienten Sonnenschutz. Ihre Technologie ist von der Natur inspiriert: Wie Kiefernzapfen öffnen und schließen sich die 424 Module je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit – ganz ohne elektrische Antriebe oder Steuerungstechnik. 

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An dem Forschungsprojekt beteiligt waren die Exzellenzcluster Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) der Universität Stuttgart und Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg. Ebenfalls mitgearbeitet haben das Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und das Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart. Getestet wurde die wetteradaptive Hülle auf dem südorientierten Dachfenster des Forschungsbaus livMatS Biomimetic Shell in Freiburg. 

Reaktive Materialien statt Motoren

Herzstück des Systems ist ein speziell entwickeltes, mit Zellulosefasern angereichertes Filament, das im 4D-Druck verarbeitet wurde. Das heißt, dass zusätzlich zu den drei räumlichen Dimensionen auch Formänderungen durch Temperatur und andere Umweltreize einbezogen wurden. Das Ergebnis ist eine sogenannte hygromorphe Doppelschichtstruktur, die sich durch das anisotrope Quell- und Schrumpfverhalten der Zellulose verformt: Bei hoher Luftfeuchtigkeit und sommerlicher Hitze flachen sich die Module ab und verschatten den Innenraum. In der kalten Jahreszeit wölben sie sich auf, um den niedrigen Sonnenstand optimal zu nutzen. Die Anpassung erfolgt kontinuierlich, präzise und reversibel – allein durch Wechselwirkungen mit der Umgebung.

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Architektur und Komfortstrategie

Die Verschattungselemente sind in einer doppelwandigen, hinterlüfteten Fassade integriert. Ihre Positionierung auf einem nach Süden ausgerichteten Fenster erlaubt eine effektive Nutzung des solaren Eintrags im Winter und schützt zugleich vor Überhitzung im Sommer. Die Module sind in Aluminiumrahmen mit Lüftungsöffnungen aufgehängt. Dadurch bleibt die natürliche Luftzirkulation erhalten und die Reaktionsfähigkeit der Materialien wird nicht beeinträchtigt. Zusätzlich ermöglichen Bedienfenster mit UV-Schutzfolie eine flexible Steuerung von Belichtung und Wärme.

Ressourcenschonend produziert

Der Fertigungsprozess erfolgte digital gesteuert mit vier 3D-Druckern innerhalb von 17 Tagen. Insgesamt wurden 5,5 kg Zellulosefilament verarbeitet – das entspricht nur 0,65 kg je Quadratmeter Verschattungsfläche. Der Ausschuss war mit sieben Prozent gering, die Kosten für das Rohmaterial lagen bei etwa 1,50 €/kg. Trotz der leichten Bauweise zeigten Langzeittests eine hohe Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung und Witterungseinflüssen.

Neue Perspektiven für adaptive Gebäudehüllen

Solar Gate ist eines der weltweit ersten Beispiele für den Einsatz selbstformender, 4D-gedruckter Verschattungssysteme in der Architektur. Es zeigt, wie sich Erkenntnisse aus der Biologie mit digitalen Planungs- und Fertigungsmethoden kombinieren lassen, um energieeffiziente, resiliente und wartungsarme Sonnenschutzlösungen zu entwickeln.

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