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Technik-Ratgeber: Schaltbares Glas - Varianten im Experten-Check

Was ist Sonnenschutzglas? Welche Techniken stecken dahinter? Was ist das Besondere an schaltbarem Glas? Wo wird "smartes" Glas sinnvoll eingesetzt?

In unserem Technik-Ratgeber stellen wir Ihnen sogenannte schaltbare Glasscheiben vor. Dabei handelt es sich um Glas für Fenster, Fenstertüren und Fassaden, das nicht nur multifunktional ist, sondern über dessen Funktionalität der Mensch schalten und walten kann. Die Regulierbarkeit der "intelligenten" Eigenschaften des Glases gelingt mittels unterschiedlicher Techniken, die wir Ihnen hier im Detail erklären.

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Wann bietet Glas einen intelligenten Sonnenschutz?

Es gibt inzwischen jede Menge Fenster- und Fenstertürglas, das die unterschiedlichsten Funktionen erfüllt, darunter Sichtschutzglas, Wärmeschutzglas (Isolierglas), Schallschutzglas, Einbruchschutzglas (Sicherheitsglas), schussfestes Glas und Sonnenschutzglas. Mitunter verbindet ein Glas gleich mehrere der beispielhaft genannten Funktionen.

Schaltbares Glas verändert auf Knopfdruck sein Aussehen von glasklar hin zu einem kräftigen Blau, sodass dadurch die Sonneneinstrahlung reduziert wird. (Foto: EControl-Glas / Bundesverband Flachglas e.V.)
Schaltbares Glas verändert auf Knopfdruck sein Aussehen von glasklar hin zu einem kräftigen Blau, sodass dadurch die Sonneneinstrahlung reduziert wird. (Foto: EControl-Glas / Bundesverband Flachglas e.V.)

Doch die Funktionalität von Glas hat immer auch ihre zwei Seiten. Ein Beispiel: Wer im Winter die Vorzüge von Wärmeschutzfenstern zu schätzen weiß, da sie dazu beitragen, die Heizkosten so gering wie möglich zu halten, indem sie die Sonnenwärme optimal in den Raum hinein passieren lassen und zugleich die Wärme dämmen, so dass sie sich nicht hinaus verflüchtigen kann, der gerät im Sommer hinter eben diesen Wärmeschutzfenstern womöglich ins Schwitzen, weil mit ihnen der sogenannte Treibhauseffekt einsetzt. Dagegen helfen dann nur mechanische Sonnenschutzsysteme wie Vorhänge, Rollos, Jalousien von innen oder auch dem Fenster vorgebaute Rollläden. Diese „Sonnenschutzmittel“ haben allerdings den Nachteil, dass sie

  • den Raum verdunkeln und
  • die Aussicht be- bzw. verhindern.

Daher setzt man seit Längerem auf spezielles Sonnenschutzglas, das im Winter für eine spürbare Heizkostenersparnis sorgt und im Sommer zu einem angenehmen Raumklima beiträgt, ohne das die schöne Aussicht beschränkt wird.

Machbar wird diese Glasfunktion mit Hilfe verschiedenster Technologien. Sämtliche Techniken bzw. daraus resultierende Anwendungen fasst man unter dem Oberbegriff „intelligentes Glas“ zusammen. In der Regel geht es dabei darum, die Lichtdurchlässigkeit von Glas zu verändern, so dass das Glas entweder

  • strahlungsdicht (Sonnenschutzfenster, das klar durchsichtig bleibt) oder
  • blickdicht (Sichtschutzfenster, das opak wird) wird.
Das tiefe Blau schaltbarer Verglasungen reduziert den Energieeintrag der Sonne, erhält allerdings die Durchsicht. (Foto: EControl-Glas GmbH & Co. KG)
Das tiefe Blau schaltbarer Verglasungen reduziert den Energieeintrag der Sonne, erhält allerdings die Durchsicht. Verglasungen, die sich mit Strom von durchsichtig auf undurchsichtig umschalten lassen, sind hingegen nicht optimal für den Sonnenschutz geeignet, da der Energieeintrag kaum verringert wird und der wichtige freie Blick nach draußen entfällt. (Foto: EControl-Glas GmbH & Co. KG)

Reaktives Glas: Technik photo- und thermochromer Glasscheiben

Verglasungen, die bei Sonnenlicht ihre Glasfarbe verändern, sind nicht neu. Bereits seit den 1980er Jahren gibt es Fensterglas mit thermochromem und photochromem Glas, welches seine Farbe ändert, indem eingebettete Flüssigkristalle oder photochemisch aktive Moleküle auf Wärme und Licht reagieren. Sie sind jedoch nicht schaltbar, sondern immer von der Sonneneinstrahlung abhängig.

Photochromes Glas

Photochromes Glas nutzt die Fähigkeit spezieller Materialien, unter Einwirkung von UV-Licht eine andere Farbe (Tönung) anzunehmen. Hierzu zählen i.d.R. braune oder graue Gläser, die ihre Lichtdurchlässigkeit je nach UV-Bestrahlung automatisch anpassen. Aufgrund der hohen Herstellungskosten kommt photochromes Glas vornehmlich in Sonnenbrillen, Windschutzscheiben oder auch Displays zum Einsatz. Zudem wird der Photochromismus i.d.R. durch den Einsatz von Halogenen erzeugt, die giftige und krebserregende Verbindungen eingehen können, so dass das Glas kaum gefahrlos zu recyclen ist.

Photochromes Glas verdunkelt sich wie ein Schwarzweißfilm, weil Silber-Verbindungen bei einfallendem UV-Licht Energie aufnehmen, so dass sich Silber-Atome bilden, die das Glas dunkel färben. Ohne UV-Licht kehren die Elektronen bereits nach wenigen Minuten wieder zurück und hinterlassen wieder Silber-Ionen. Andere photochrome Gläser müssen erhitzt werden, um wieder aufzuklaren.

Neueste Entwicklungen können jedoch auch auf Jodid, Bromid oder Chlorid verzichten. So haben japanische Forscher ein photochromes Glas auf Basis von Nitrat entwickelt, das sich unter UV-Licht gelb verfärbt.

Thermochromes Glas

Ähnlich wie photochrome Gläser funktionieren thermochrome Gläser. Diese reagieren jedoch auf die mit der Sonneneinstrahlung verbundene Wärmeabgabe. Wenn sich thermochrome Gläser erwärmen, dann verdunkeln sie sich entsprechend. Mit nachlassender Sonneneinstrahlung kühlen sich thermochrome Gläser entsprechend ab und entfärben sich wieder (Enttönung).

Solche thermochromen Gläser sind üblicherweise sogenannte Verbundgläser: Sie bestehen aus zwei oder mehr Glasscheiben, die mit Hilfe einer spezielle Folie fest verbunden sind (Fachausdruck: laminiert). In dieser Spezialfolie stecken die reaktiven Eigenschaften des intelligenten Glases: die thermochromen Substanzen.

Bei Glasverbunden mit temperaturabhängigen Eigenschaften sind teilweise in die Harzschicht zwischen den Verbundscheiben polymere Mikrokaspeln platziert. Wird das Harz warm (Temperatur unter 40 Grad Celsius) ändert die Schicht ihren Zustand und erlaubt die Streuung einfallenden Lichts. Damit wird das Glas gedimmt. Der Nachteil gegenüber EC-Glas: Thermochromes Glas kann nicht manuell geschaltet werden.

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Elektrochromismus: So funktioniert schaltbares Glas

Der Nachteil thermochromen und photochromen Glases ist jedoch, dass die Reaktion auf die Solarstrahlung nicht steuerbar ist, sondern sich das Glas automatisch bei einer bestimmten Lichteinstrahlung verdunkelt. Moderne, schaltbare Sonnenschutzgläser basieren daher heute auf Nanotechnologie und Elektrochromismus, durch den das Fensterglas durch Anlegen einer elektrischen Spannung seine Farbe ändert und damit nicht nur schaltbar, sondern auch in Abstufungen dimmbar wird. Elektrochromes Glas (oder kurz: EC-Glas genannt) kann dann per Knopfdruck geschaltet werden, so dass die jeweils gewünschte Funktion aktiviert ist.

Mit elektrochrom verglasten Fenstern lässt sich Sonnen- und Hitzeschutz optimal auf Tageszeit und Wetter abstimmen. (Foto: Velux Deutschland GmbH)
Mit elektrochrom verglasten Fenstern lässt sich Sonnen- und Hitzeschutz optimal auf Tageszeit und Wetter abstimmen. (Foto: Velux Deutschland GmbH)

Funktionsprinzip

Dabei macht man sich für elektrochromes Glas die Eigenschaft elektrochromer Materialien zunutze, die in Abhängigkeit von einer an sie angelegten elektrischen Spannung (Gleichspannung) ihre Lichtdurchlässigkeit verändern. Man „tönt“ das schaltbare Glas quasi. Mit dem Anlegen einer geringen Spannung von z. B. drei Volt wird je nach den im Glas verwendeten Materialien z. B. eine bläuliche Färbung des schaltbaren Glases erzielt.

Schaltbare EC-Fenster bestehen aus mehreren Glasscheiben. An der Außenseite sitzt ein elektrochromer Verbundaufbau. Im Zentrum sorgt eine Folie bzw. Beschichtung für den elektrochromen Effekt. Beim Abgeben elektrischer Ladungen an eine mikroskopisch dünne Beschichtung, zum Beispiel aus Materialien wie Wolframtrioxid oder Polyanilin, wird diese Schicht optisch aktiv und ändert ihre Farbe. Dieser Vorgang kann von einige Sekunden bis zu mehrere Minuten dauern. Wird die anliegende Spannung zurückgefahren oder ändert man die Spannungspolarität, wird das schaltbare Glas wieder klar und somit durchsichtig.

Es hängt von der jeweiligen Anwendung ab, bei der das schaltbare Glas zum Einsatz kommt, ob die Regelung der elektrischen Spannung per Hand (manuell) oder automatisch erfolgt. Beim automatisierten Regeln übernehmen beispielsweise Sensoren die Helligkeitsmessung und entsprechende Schaltung des Glases. So bietet auch eine Einbindung von schaltbarem Glas in ein Smart Home vielfältige, neue Funktionalitäten.

Das "schaltbare Glas" von Kneer-Südfenster wird durch einen variablen g-Wert über einen elektrochromen Effekt bei Sonneneinstrahlung gleichmäßig verdunkelt. (Foto: Kneer-Südfenster)
Das "schaltbare Glas" von Kneer-Südfenster wird durch einen variablen g-Wert über einen elektrochromen Effekt bei Sonneneinstrahlung gleichmäßig verdunkelt. (Foto: Kneer-Südfenster)

Techniken

Eine schaltbare Glastechnik basiert auf einer Beschichtung aus z. B. Wolframoxid. Diese Metallschicht kann Ionen aufnehmen und abgeben. Zwischen den Scheiben sitzt eine Polymerfolie, die in der Lage ist, Lithium-Ionen zu leiten. Wird der Strom geschaltet, so reicht eine elektrische Spannung von weniger als fünf Volt aus, den Ionenaustausch zu veranlassen. Infolgedessen färbt sich das schaltbare Glas z. B. blau, was die Licht- sowie Gesamtenergiedurchlässigkeit der Verglasung mindert.

Diese Art von schaltbarem EC-Glas ermöglicht die Wahl verschiedener (Tönungs-) Abstufungen, so dass das schaltbare Glas optimal an den aktuellen Lichteinfall angepasst werden kann. Der Tönungsprozess erfolgt lautlos und dauert von der ersten bis zur dunkelsten Stufe bei einer 100 mal 100 Zentimeter großen Fenster nur rund 10 Minuten.

Zum Einsatz kommt dieses Prinzip u.a. bei SageGlass. Bei der Nanotechnologie von SageGlass wird das Glas mit bis zu fünf Beschichtungslagen versehen, die eine Gesamtstärke von weniger als 1/50 eines menschlichen Haares haben. Die Lagen des transparenten Leiters umschließen dabei die elektrochrome Schicht, den Ionenleiter und die Gegenelektrode wie ein Sandwich. Die elektrochrome Schicht sorgt für die Tönung des Glases. Durch eine positive Niederspannung (weniger als 5 V DC) am transparenten Leiter, der die Gegenelektrode berührt, wandern die Lithiumionen und Elektronen durch den Ionenleiter in die elektrochrome Schicht. Dadurch verdunkelt sich die Beschichtung durch eine Redoxreaktion.

Bei SageGlass wird die schaltbare Tönung mit Hilfe einer Redoxreaktion individuell anpassbar. (Copyright: Europäisches Patentamt (Fotograf: Heinz Troll))
Bei SageGlass wird die schaltbare Tönung mit Hilfe einer Redoxreaktion individuell anpassbar. (Copyright: Europäisches Patentamt (Fotograf: Heinz Troll))

Eine weitere Möglichkeit stellt LC-Glas oder PDLC-Glas für "Liquid Crystal" bzw. "Polymer Dispersed Liquid Crystal" dar, das wie EC-Glas aufgebaut ist. Eine Schicht aus Flüssigkristallen wird in leitende Folien zwischen die Scheiben des Glasverbunds platziert. Unter ständiger Stromzufuhr ordnen sich die Kristalle und die Scheiben sind durchsichtig. Wird die Stromzufuhr unterbrochen, löst sich die Kristallordnung in Chaos auf - und die Scheibe wird opak (gedimmt). Die Funktionsweise begründet auch den großen Nachteil des stetigen Stromverbrauchs von LC-Glas gegenüber EC-Glas.

LC-Gläser basieren auf einem Polymer-Flüssigkristall-Film, der zwischen zwei Flachglasscheiben eingebettet ist. Fließt Strom, ordnen sich die Moleküle und das Glas wird transparent. Ohne Spannung wird das Glas wieder opak. (Grafik: energie-experten.org)
LC-Gläser basieren auf einem Polymer-Flüssigkristall-Film, der zwischen zwei Flachglasscheiben eingebettet ist. Fließt Strom, ordnen sich die Moleküle und das Glas wird transparent. Ohne Spannung wird das Glas wieder opak. (Grafik: energie-experten.org)

Anwendungen

Demgegenüber benötigt EC-Glas nur während der Tönungsphase bzw. beim Herstellen seiner kompletten Transparenz elektrischen Strom. Unterliegt es keiner elektrischen Spannung, behält das schaltbare Glas die aktuelle Farbe solange, bis ihm wieder Strom zugeführt wird.

Bekannte Anwendungen für derart schaltbares Glas sind: 

  • schaltbare Dachfenster von Automobilen (zum Beispiel der Ferrari 575 M Superamerica)
  • schaltbare Rückspiegel, die sich automatisch oder per Hand abblenden lassen
  • schaltbare Glasfassaden von Gebäuden, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Sonnenschutzstrahlung schalten lassen, so dass sie Wärme- und oder Sonnen- beziehungsweise Sichtschutz bieten
  • schaltbare Glastrennwand in Räumen mit Publikumsverkehr, in Großraumbüros und Ähnlichen, wo mal Sichtschutz und mal Durchsicht herrschen soll, zum Beispiel zwischen Lokführer und Fahrgästen beim ICE, die sich per Knopfdruck durchsichtig oder opak schalten lässt

Schalbares Glas wie EC-Glas wirkt demnach im Winter als Wärmeschutzglas und im Sommer als Sonnenschutz- bzw. Klimaschutzglas. Es reduziert damit Energiekosten, die fürs Heizen und / oder Kühlen anfallen würden und sorgt für einen schaltbaren Sichtschutz bei Bedarf.

Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Büroräumen (hier: transparent) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / INTERPANE Glas Industrie)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Büroräumen (hier: transparent) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / INTERPANE Glas Industrie)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Büroräumen (hier: undurchsichtig) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / INTERPANE Glas Industrie)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Büroräumen (hier: undurchsichtig) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / INTERPANE Glas Industrie)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Badezimmern (hier: transparent) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / Saint-Gobain Deutsche Glas GmbH)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Badezimmern (hier: transparent) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / Saint-Gobain Deutsche Glas GmbH)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Badezimmern (hier: undurchsichtig) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / Saint-Gobain Deutsche Glas GmbH)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Badezimmern (hier: undurchsichtig) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / Saint-Gobain Deutsche Glas GmbH)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Konferenzräumen (hier: transparent) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / Saint-Gobain Deutsche Glas GmbH)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Konferenzräumen (hier: transparent) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / Saint-Gobain Deutsche Glas GmbH)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Konferenzräumen (hier: undurchsichtig) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / Saint-Gobain Deutsche Glas GmbH)
Schaltbare Verglasung als Sichtschutz von Konferenzräumen (hier: undurchsichtig) (Foto: Bundesverband Flachglas (BF) / Saint-Gobain Deutsche Glas GmbH)

Nachrüstung

Zur Nachrüstung wird heute bereits schaltbare Folie angeboten. Diese Kunststoff-Folie besteht aus einer Flüssigkristall-Folie, die beidseitig elektrisch leitend beschichtet und zwischen zwei Polyesterfolien einlaminiert ist. Diese schaltbare Folie kann individuell an jedes Glas maßgeschneidert angebracht werden. Nach der Verlegung der elektrischen Leitungen wird bzw. werden die Schaltungen installiert. Die Schaltung kann frei zwischen Wandschalter, Fernbedienung, Touch und/ oder Sprache und andere Sensorik gewählt werden.

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"Schaltbare Glas-Varianten im Technik-Check" wurde am 15.04.2019 das letzte Mal aktualisiert.