MOCHI: Durchsichtige Dämmung für energieeffiziente Fenster

Fenster sind unverzichtbar für Tageslicht und Ausblicke, gleichzeitig gehören sie zu den größten Quellen für Wärmeverlust und -gewinn in Gebäuden. Forschende der University of Colorado Boulder haben ein nahezu transparentes Dämmmaterial namens MOCHI entwickelt, das den Wärmetransport durch Glas verlangsamen soll, ohne das Licht zu blockieren — ein Ansatz, der die Art und Weise verändern könnte, wie wir heizen, kühlen und energieeffiziente Gebäude planen.

What is MOCHI and why it matters

MOCHI steht für Mesoporous Optically Clear Heat Insulator. Es handelt sich um ein silikonbasiertes Gel, das so konstruiert ist, dass es ein weit verzweigtes Netzwerk winziger Luftkanäle enthält; Luft macht dabei mehr als 90 % des Volumens aus. Diese innere Struktur ermöglicht eine Kombination von Eigenschaften, die selten zusammen auftreten: sehr gute Wärmedämmung und hohe optische Klarheit.

Ein wesentlicher Vorteil ist die Sichtbarkeit. Im Gegensatz zu vielen Dämmstoffen, die Licht streuen und den Durchblick trüben, lässt MOCHI nahezu das gesamte sichtbare Licht durch und reflektiert nur etwa 0,2 % des einfallenden Lichts. Für Gebäudeeigentümer, Architektinnen und Planer bedeutet das: Dämmungen an Fenstern könnten ergänzt werden, ohne Tageslicht, Solaransichten oder die visuelle Verbindung nach außen zu verlieren.

Abram Fluckiger hält eine Musterplatte hoch, die fünf geschichtete Lagen des neuen, nahezu transparenten Dämmmaterials MOCHI zeigt, das von Forschenden der CU Boulder im Labor von Physikprofessor Ivan Smalyukh entwickelt wurde.

How the material is made and how it blocks heat

Im Zentrum der Leistung von MOCHI steht die Kontrolle von Porengröße und deren Anordnung. Das Forschungsteam verwendet Tensidmoleküle in einer Flüssiglösung, die fadenartige Vorlagen bilden. Silikonmoleküle beschichten diese Fäden; anschließend entfernen die Forschenden das Tensid und ersetzen es durch Luft. Zurück bleibt ein filigranes Silikongerüst mit extrem feinen, luftgefüllten Kanälen. Smalyukh beschrieb das verbleibende Kanalnetz treffend als „ein Albtraum für Klempner“.

Diese sehr kleinen Kanäle bringen das Gas in einen Bereich, den Physiker als mesoporöses Regime bezeichnen: Die Poren sind in der Größenordnung oder kleiner als die mittlere freie Weglänge von Luftmolekülen. Statt frei gegeneinander zu kollidieren und Energie (Wärme) zu übertragen, prallen die Gaspartikel in jeder Pore wiederholt gegen die Kanalwände. Das begrenzt die Wärmeleitung durch das Material ähnlich wie bei Aerogelen — mit einem entscheidenden Unterschied: MOCHI ist so ausgelegt, dass Lichtstreuung minimiert wird, sodass es außergewöhnlich klar bleibt.

Um die Dämmwirkung zu veranschaulichen, berichten die Forschenden, dass ein 5 mm dickes MOCHI-Blatt einer offenen Flamme standhält, ohne genug Wärme durchzuleiten, um auf der anderen Seite Verbrennungen zu verursachen. Diese eindrückliche Demonstration unterstreicht, wie effektiv ein hochporöses, fein strukturiertes Material den Wärmestrom verringern kann.

Shakshi Bhardwaj hält Blöcke unterschiedlicher Größe des neuen fast transparenten Dämmmaterials MOCHI hoch, das von Forschenden der CU Boulder im Labor von Physikprofessor Ivan Smalyukh entwickelt wurde.

Windows, buildings, and the scale of the problem

Gebäude verbrauchen weltweit rund 40 % der Energieproduktion, und ein beträchtlicher Anteil dieser Energie wird über Fenster ausgetauscht. Im Winter entweicht warme Innenluft; im Sommer dringen Sonnenlicht und Außentemperatur durch Glas ein. Traditionelle Strategien zur Reduzierung dieses Austauschs sind Doppel- oder Dreifachverglasungen, Low-Emissivity-(Low-E-)Beschichtungen und thermisch getrennte Fensterrahmen — allesamt wirksam, aber gelegentlich durch Kosten, Gewicht oder vermindertes Tageslicht begrenzt.

MOCHI zielt auf eine Lücke: eine innen angebrachte Platte oder dünne Schicht, die zu bestehenden Fenstern hinzugefügt werden kann, um den Wärmewiderstand zu erhöhen und gleichzeitig Transparenz zu bewahren. Wenn diese Lösung skalierbar ist, könnte sie den Heiz- und Kühlbedarf in Wohn- und Geschäftsgebäuden senken, Energiekosten reduzieren und CO2-Emissionen verringern, ohne Tageslicht oder Aussicht zu opfern.

Aus energetischer Sicht wären transparente Dämmungen wie MOCHI besonders wertvoll in dicht bebauten städtischen Gebieten, bei denkmalgeschützten Gebäuden, wo äußere Veränderungen begrenzt sind, und bei großflächigen Glasfassaden, die konventionelle Isolationsmaßnahmen erschweren. Retrofit-Maßnahmen mit durchsichtiger Isolierung könnten kurzfristig hohe Einsparungen beim Heizenergiebedarf erzielen, während langfristig kombinierte Lösungen mit intelligenten Verglasungen und thermischer Speicherung die Gesamtenergiebilanz weiter verbessern.

Eldho Abraham (links) und Taewoo Lee (rechts) halten ein neues Fensterschutzmaterial namens MOCHI an einer dünnen Kunststofffolie befestigt, entwickelt von Forschenden der CU Boulder im Labor von Physikprofessor Ivan Smalyukh.

MOCHI versus aerogels and other insulation

Aerogele sind als ultraleichte Isolatoren am besten bekannt und werden in Nischenanwendungen verwendet, etwa in Komponenten der Raumfahrtagentur NASA. Allerdings wirken Aerogele häufig trüb, weil ihre Poren sichtbares Licht streuen. Das Team der CU Boulder hat MOCHI bewusst so strukturiert, dass die Poren die Streuung reduzieren, wodurch die Klarheit näher an konventionelles Glas heranreicht und die Wärmeleistung vergleichbar mit fortschrittlichen porösen Isolatoren bleibt.

Die Materialchemie von MOCHI — ein Silikongel-Gerüst — bringt zudem praktische Vorteile: Ausgangsstoffe sind vergleichsweise kostengünstig, und das Produkt lässt sich als dünne Folien oder dickere Platten fertigen, je nach Anwendung. Derzeit erfordert die Herstellung jedoch langsame, präzise Laborprozesse. Die Autoren der in Science veröffentlichten Studie betonen, dass die Skalierung der Produktion und die Vereinfachung der Fertigung entscheidend sind, bevor MOCHI kommerziell verfügbar wird.

Im Vergleich zu konventionellen Isoliergläsern könnte MOCHI die thermische Leistung eines Fensters deutlich steigern, ohne die U-Werte durch zusätzliches Gewicht oder Materialstärke ungünstig zu beeinflussen. Kombiniert mit Low-E-Beschichtungen oder Vakuumglas könnten hybride Systeme entstehen, die sowohl Strahlungs- als auch Leitungswärme effektiv adressieren.

Potential applications beyond windows

Obwohl Fenster das naheliegendste Einsatzfeld sind, eröffnet die Kombination aus Klarheit und Wärmewiderstand von MOCHI weitere Möglichkeiten. Das Team schlägt Anwendungen vor, die Solarwärme nutzen oder steuern: transparente thermische Kollektoren, gedämmte Oberlichter oder fenstermontierte Systeme, die Sonnenlicht einfangen und einen Teil der Energie in Wärme für Wasser- oder Raumheizung umwandeln. Selbst bei bewölktem Himmel kann eine teilweise solare Ernte kombiniert mit verbesserter Dämmung messbare Energieeinsparungen bringen.

Darüber hinaus sehen die Forschenden Potenzial in Elektronikgehäusen, optischen Instrumenten und überall dort, wo eine transparente thermische Barriere nützlich ist. Da MOCHI nur einen sehr kleinen Bruchteil des sichtbaren Lichts reflektiert, ließe sich das Material in Fassadensysteme und Nachrüstprodukte integrieren, ohne das äußere Erscheinungsbild von Gebäuden deutlich zu verändern.

Weitere denkbare Anwendungen umfassen transparente Isoliermodule für Gewächshäuser, bei denen Lichtdurchlässigkeit und Wärmeerhalt gleichermaßen wichtig sind, sowie Display- oder Sensorabdeckungen, die thermische Isolation benötigen, ohne optische Leistung zu opfern. In Kombination mit Photovoltaik-Elementen könnten abgestimmte Lösungen entstehen, die gleichzeitig Licht durchlassen und Temperaturspitzen dämpfen.

Challenges on the path to commercialization

Trotz vielversprechender Laborergebnisse gibt es Herausforderungen. Die aktuelle Synthese ist zeitaufwendig und auf kleine Proben optimiert; Langzeitbeständigkeit und UV-Stabilität unter realen Witterungsbedingungen müssen nachgewiesen werden; und Produktionsprozesse müssen für großflächige, kosteneffiziente Fertigung angepasst werden. dennoch zeigt sich das Team zuversichtlich, dass Prozessvereinfachungen sowie roll-to-roll- oder gießbare Verfahren MOCHI irgendwann zu einer praktikablen Nachrüst- oder Werkslösung machen könnten.

Technische Hürden betreffen neben Skalierbarkeit auch mechanische Robustheit, Kantenversiegelung gegen Feuchtigkeit, Verbundverhalten mit bestehenden Verglasungen und Recyclingfähigkeit. Stand der Technik in industriellen Beschichtungs- und Folienprozessen wird wahrscheinlich eine Schlüsselrolle spielen, um die Herstellungskosten zu senken und konsistente Materialqualität zu gewährleisten.

Außerdem sind standardisierte Prüfmessungen erforderlich: U-Wert-Bestimmungen, Langzeittests unter wechselnder Temperatur- und UV-Belastung, Brandschutzprüfungen und Zyklentests zur Formstabilität. Nur mit belastbaren Normdaten lassen sich Produkte für Bauvorschriften und Förderprogramme qualifizieren.

Expert Insight

„MOCHI zeigt, wie Mikrosrukturdesign zwei konkurrierende Anforderungen — optische Klarheit und thermische Widerstandsleistung — in Einklang bringen kann“, sagt Dr. Maya Ortega, eine fiktive Materialwissenschaftlerin, die poröse Isolatoren untersucht. „Wenn es dem Team gelingt, Labormethoden in kontinuierliche Fertigungsprozesse zu überführen, könnte das die Nachrüststrategien sowohl für Bestandsgebäude als auch für Neubauten revolutionieren. Entscheidend werden Langzeitbeständigkeit und Kosten bei großem Maßstab sein.“

Ivan Smalyukh, Seniorautor und Professor für Physik an der CU Boulder, fasste das Ziel einfach zusammen: „Egal, wie die Temperaturen draußen sind, wir möchten, dass Menschen drinnen angenehme Temperaturen haben, ohne Energie zu verschwenden.“ Die Arbeit zu MOCHI erschien am 11. Dezember in Science und liefert eine peer-reviewed Bestätigung des Kernkonzepts, während die ingenieurwissenschaftliche und kommerzielle Umsetzung noch bevorsteht.

Forschende, Bauprofis und Hersteller werden genau beobachten, wie MOCHI den Übergang von einer eindrucksvollen Laborvorführung zu einem praktischen Produkt schafft. Sollte dieser Übergang gelingen, könnten Gebäude klarere, energieeffizientere Fenster erhalten, die Ausblicke und Tageslicht bewahren — und zugleich den Energiebedarf zum Heizen und Kühlen deutlich reduzieren.

Zusammenfassend zeigt MOCHI das Potenzial für eine neue Klasse von transparenten Dämmstoffen, die in einer Vielzahl von Kontexten Energie sparen können: von Wohngebäuden über Bürogebäude bis zu spezialisierten technischen Anwendungen. Die Kombination aus mesoporöser Struktur, silikonbasierter Chemie und optimierter Porenanordnung unterscheidet MOCHI klar von bestehenden Lösungen wie Aerogelen und klassischen Isoliergläsern.

Für Architektinnen und Ingenieure bietet MOCHI konzeptionelle Vorteile: die Möglichkeit, thermische Leistung zu verbessern, ohne die natürliche Beleuchtung zu beeinträchtigen; die Option, denkmalgeschützte Gebäude energetisch aufzurüsten; und die Aussicht, bestehende Fenster kosteneffizient nachzurüsten. Wirtschaftliche Analysen und Lebenszyklusbetrachtungen werden wichtig sein, um zu entscheiden, in welchen Szenarien MOCHI die beste Kosten-Nutzen-Bilanz liefert.

Auf Forschungsebene sind nächste Schritte vor allem die Optimierung der Porenstruktur für verschiedene Wellenlängen, die Kombination mit selektiven Beschichtungen für IR-Management und die Untersuchung von Hybridmaterialien, die mechanische Stabilität und optische Qualität weiter verbessern könnten. Kooperationen mit der Bauindustrie, Folienproduzenten und Herstellern von Fensterrahmen könnten helfen, Produktions- und Installationsprozesse schnell zu industrialisieren.

Langfristig könnte MOCHI Teil integrierter Systeme werden: gekoppelt mit dynamischen Verglasungen, thermischer Speicherung oder gebäudeintegrierten Photovoltaiklösungen. In solchen Systemen würde die Rolle von MOCHI darin bestehen, Wärmeströme zu reduzieren, Lichtintensität zu erhalten und so die Effizienz ganzer Energiesysteme in Gebäuden zu steigern.

Abschließend bleibt festzuhalten, dass MOCHI ein vielversprechendes Beispiel dafür ist, wie Materialwissenschaft und Architektur zusammenwirken können, um nachhaltigere, komfortablere und energieeffizientere Gebäude zu schaffen. Die nächsten Jahre werden zeigen, ob das Material die technischen und wirtschaftlichen Hürden überwinden kann, um breite Anwendung zu finden.