Duales Janus‑Schaumstoff für gerichtetes Wärmemanagement

Warum die Lenkung von Wärme wichtig ist

Ob beim Komfort in Gebäuden oder beim Einfangen von Abwärme aus Fabriken — effiziente Temperatursteuerung ist zentral für unsere Energiezukunft. Die meisten Materialien lassen Wärme jedoch in alle Richtungen streuen. Diese Studie stellt eine neue Art von leichtem Schaumstoff vor, der Wärme deutlich leichter in eine Richtung als in die andere passieren lässt, ähnlich einer elektrischen Diode für Wärme. Durch die Kombination aus intelligenter Sonneneinstrahlungssteuerung und einseitiger Wärmeleitung kann das Material helfen, tägliche Temperaturschwankungen abzufedern und sonst verschwendete Wärmeenergie nutzbar zu machen.

Ein Schaumstoff mit zwei sehr unterschiedlichen Seiten

Die Forschenden bauten ihr Material als sogenannten „Janus“-Schaumstoff, benannt nach dem zweigesichtigen römischen Gott. Eine Seite des Schaums ist dunkel und absorbiert Sonnenlicht stark, wodurch Licht in Wärme umgewandelt wird. Die andere Seite ist hell und reflektiert das Sonnenlicht größtenteils, wodurch sie deutlich kühler bleibt. Im Inneren ist der Schaum porös, doch die beiden Schichten haben unterschiedliche Porengrößen und leicht verschiedene Zusammensetzungen. Dieses doppelte Design wurde mit speziell hergestellten „Janus“-Partikeln erreicht, die sowohl öl‑ als auch wasserliebend sind und es dem Team erlauben, geschichtete flüssige Emulsionen zu erzeugen, die zu einem festen, zweilagigen Schwamm ausgehärtet werden.

Licht in einseitige Wärme verwandeln

Durch Zugabe einer kleinen Menge schwarzer, kohlenstoffbasierter Füllstoffe nur in einer Schicht verändert sich das Verhalten des Schaums unter Sonnenlicht stark. Die dunkle, füllstoffreiche Seite absorbiert den Großteil der einfallenden Solarenergie und erwärmt sich schnell, während die gegenüberliegende Seite das meiste Licht reflektiert und vergleichsweise kühl bleibt. Messungen zeigen, dass in der extremsten Ausführung eine Seite des Schaums nur wenige Prozent des Sonnenlichts reflektiert, während die andere nahezu neunzig Prozent zurückwirft. Dadurch kann dasselbe Schaumstoffstück je nach Ausrichtung entweder als Solarheizer oder als Sonnenschutz fungieren.

Wärme lenken wie eine Einbahnstraße

Über die Wechselwirkung mit Licht hinaus leitet der Schaum Wärme auch asymmetrisch. Weil die beiden Schichten unterschiedliche Porenstrukturen besitzen — und weil nur eine Schicht mit einem thermisch leitfähigen Füllstoff versehen ist — reist Wärme schneller, wenn sie von der hochleitfähigen, kleinporigen Seite hereinkommt als aus der entgegengesetzten Richtung. Experimente mit einem winzigen Heiz- und Sensorsystem, das zwischen zwei Schaumschichten geklemmt wurde, zeigen, dass der effektive Wärmestrom in der „leichten“ Richtung mehr als doppelt so groß ist wie in der „schweren“ Richtung — ein sehr starker rectifier‑Effekt für ein massives Festkörpermaterial.

Von Laborproben zu realen Anwendungen

Um zu untersuchen, wie sich dieses doppelte Verhalten in der Praxis auswirkt, setzten die Forschenden Schaumpaneele simuliertem Sonnenlicht aus und überwachten die Temperaturen auf der beschienenen und der abgeschatteten Seite. Lag die dunkle, absorbierende Seite oben, wurde die Unterseite — die ein geschütztes Objekt repräsentiert — deutlich wärmer als bei umgekehrter Anordnung mit der reflektierenden Seite oben. Im Vergleich zu einem einfacheren Monolayer‑Design verstärkte der duale Janus‑Schaum die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Richtungen um das Mehrfache (mehr als das Zwanzigfache). Die Forschenden vergrößerten den Schaum anschließend zu Paneelen von einigen zehn Zentimetern Kantenlänge und platzierten sie über Modellhäusern im Freien. Unter sonnigen, bewölkten und sogar nebligen oder regnerischen Bedingungen blieben Häuser mit dem Schaum in der „Heiz“-Orientierung innen konstant wärmer als solche mit umgedrehten Paneelen, während sie zugleich von den allgemeinen dämmenden Eigenschaften des Schaums profitierten.

Was das für den täglichen Energieeinsatz bedeutet

Einfach ausgedrückt verhält sich der duale Janus‑Schaum wie eine dünne, flexible Oberfläche, die entscheiden kann, wann sie Wärme willkommen heißt und wann sie sie blockiert — und das in eine Richtung wirksamer als in die andere. Durch die Kombination starker Sonnenabsorption auf der einen Seite mit einseitigem Wärmetransport im Inneren kann das Material natürliche Temperaturschwankungen, wie Tag‑Nacht‑Zyklen oder periodische Aufheizung industrieller Anlagen, in stabile, nutzbare Temperaturgradienten umwandeln. Das macht es zu einem vielversprechenden Baustein für künftige Systeme, die Innenräume passiv stabilisieren, Wärme dort bewahren, wo sie benötigt wird, oder Geräte antreiben, die Abwärme in Strom umwandeln — und das alles ohne zusätzlichen Energieverbrauch.

Zitation: Jiang, C., He, X., Zheng, X. et al. Dual Janus foam for directional thermal management. Nat Commun 17, 2251 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69140-6

Schlüsselwörter: Wärmemanagement, Janus‑Schaum, passives Kühlen und Heizen, thermischer Gleichrichter, Energiegewinnung