KI entwickelte Farben, die die Temperatur von Gebäuden um bis zu 20 Grad senken

Stellen Sie sich vor, Sie streichen das Dach Ihres Hauses mit einer speziellen Farbe und sparen plötzlich Tausende Kilowattstunden Strom pro Jahr, weil das Gebäude selbst bei größter Hitze kühler bleibt. Das ist keine Science-Fiction, sondern dank neuer Forschung, die künstliche Intelligenz für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien nutzt, bereits Realität. Wissenschaftler von Universitäten in den USA, China, Singapur und Schweden, darunter Yuebing Zheng von der University of Texas in Austin, Han Zhou von der Shanghai Jiao Tong University und Cheng-Wei Qiu von der National University of Singapore, haben Farben entwickelt, die Sonnenstrahlen reflektieren und Wärme effizienter abstrahlen als herkömmliche Beschichtungen. Diese in der renommierten Zeitschrift Nature veröffentlichte Entdeckung verspricht, den Energieverbrauch von Klimaanlagen zu senken und den städtischen Wärmeinseleffekt abzumildern, durch den die Temperaturen in den Zentren großer Städte um mehrere Grad höher steigen als an den Stadträndern.

Wie künstliche Intelligenz die Materialentwicklung verändert hat

Traditionelle Methoden der Materialentwicklung basierten auf Versuch und Irrtum, was bedeutete, dass zahllose verschiedene Kombinationen getestet werden mussten. Dank maschinellen Lernens, das den sogenannten inversen Designprozess automatisiert, ändert sich das nun. Die Wissenschaftler entwickelten ein Framework, das eine enorme Anzahl möglicher Strukturen und Materialien untersucht, darunter auch dreidimensionale Metastrukturen. Sie verwendeten beispielsweise eine Methode der Drei-Ebenen-Modellierung, mit der sich komplexe 3D-Formen anstelle flacher 2D-Oberflächen entwerfen lassen. Dieser Ansatz ermöglichte die Entwicklung von sieben Prototypen von Meta-Emittern, die bestehende Technologien hinsichtlich optischer Leistung und Kühlwirkung übertreffen. Laut Yuebing Zheng dauert die Entwicklung eines neuen Materials heute nur noch wenige Tage statt Monate, da die KI ohne langwierige Tests zu den richtigen Strukturen und Materialien führt.

Die Forschung zeigte, dass diese Farben die Temperatur von Gebäuden nach Einwirkung der Mittagssonne um 5 bis 20 Grad Celsius senken können. Bei einem vierstöckigen Wohnhaus in einem heißen Klima wie in Rio de Janeiro oder Bangkok würde das Auftragen einer solchen Farbe beispielsweise jährlich 15 800 Kilowattstunden Strom einsparen. Würde sie auf tausend solcher Gebäude aufgetragen, würde die Einsparung ausreichen, um mehr als 10 000 Klimaanlagen ein ganzes Jahr lang zu betreiben. Das ist ein enormer energetischer Vorteil, denn die Farben reflektieren nicht nur die Sonnenstrahlung, sondern strahlen Wärme auch in einem ultrabreitbandigen oder bandselektiven Modus ab. Dadurch lässt sich präzise abstimmen, wie das Material auf Nanoebene mit Licht interagiert.

Anwendungen von Gebäuden bis hin zu Autos

Diese neuen Farben eignen sich nicht nur für Hausdächer. Die Wissenschaftler schlagen ihren Einsatz auf Autos, Zügen, elektrischen Geräten oder sogar in der Luftfahrtindustrie vor, wo Kühlung in Zeiten der globalen Erwärmung von entscheidender Bedeutung ist. Weitere mögliche Anwendungen liegen beispielsweise in der Thermophotovoltaik (Umwandlung von Wärme in Strom), der thermischen Tarnung oder in fortschrittlichen optischen Geräten. Die Forschung unterstreicht, wie KI die Entwicklung von Materialien mit präzise definierten Eigenschaften ermöglicht – von der breitbandigen Wärmeabstrahlung bis hin zu selektiven Emissionen bei bestimmten Wellenlängen. Dies öffnet die Tür für farbige Emitter oder Geräte für Quantentechnologien.

Ähnliche Ansätze finden auch in anderen Bereichen Anwendung. Das britische Unternehmen MatNex nutzte beispielsweise KI, um Permanentmagnete für Elektromotoren ohne seltene Erden zu entwickeln, wodurch sich der CO₂-Fußabdruck des Rohstoffabbaus verringert. Microsoft wiederum veröffentlichte Werkzeuge für die schnelle Entwicklung anorganischer Materialien für Solarmodule oder medizinische Implantate. Wissenschaftler wie Alex Ganose vom Imperial College London weisen darauf hin, dass KI eine Umkehrung des Prozesses ermöglicht: Statt die Eigenschaften eines Materials zu testen, definiert man zunächst, was man erreichen möchte, und die KI entwirft eine Lösung. Dazu gehört die Berechnung von Millionen Kombinationen, was früher aufgrund begrenzter Rechenleistung unmöglich war.

Herausforderungen und Zukunft der Technologie

Obwohl die Forschung die Grenzen traditioneller Methoden überwunden hat, darunter Fallen lokaler Optimierung oder die Beschränkung auf vordefinierte Geometrien, bestehen weiterhin Herausforderungen. Die Herstellung dieser 3D-Metastrukturen erfordert beispielsweise fortschrittliche Technologien, doch die Wissenschaftler haben bereits Patente und Software für die weitere Entwicklung erhalten. Das Team plant, diese Plattform auf einen breiteren Bereich der lichtbasierten Nanotechnologie auszuweiten, was zu besseren Materialien für die Kohlenstoffabscheidung oder zu effizienteren Batterien führen könnte.

Bei dieser Entdeckung geht es nicht nur um Kühlung – sie ist ein Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Zukunft. In einer Zeit, in der Städte unter extremen Temperaturen leiden, können diese von KI entwickelten Farben dazu beitragen, den Energieverbrauch zu senken und die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern. Wenn sich die Technologie verbreitet, könnten wir kühlere Straßen in Prag, London oder Shanghai erleben – und das alles dank einer intelligenten Verbindung von Wissenschaft und künstlicher Intelligenz.