Gips-Schüle-Forschungspreis für „Solar Gate“

Prof. Achim Menges, Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) der Universität Stuttgart und Prof. Thomas Speck von der Universität Freiburg nahmen am Abend des 2. Dezembers den renommierten Gips-Schüle-Forschungspreis 2025 entgegen. Der Preis ist mit 50.000 Euro dotiert und wird von der Stuttgarter Gips-Schüle-Stiftung vergeben.

Ausgezeichnet wurden der Stuttgarter Architekt und der Freiburger Biologe für das „Solar Gate“ – ein bioinspiriertes Verschattungssystem, das das Klima in Innenräumen ohne zusätzliche Energie reguliert. „Ich bin immer wieder fasziniert und begeistert, wie mit pfiffigen Inspirationen beispielsweise aus der Natur, überzeugende Lösungen für die Herausforderungen der Zukunft erforscht werden. Ich freue mich sehr, dass wir von der Gips-Schüle-Stiftung so herausragende Projekte in Baden-Württemberg mit unseren Preisen unterstützen können“, sagt Dr. Stefan Hofmann, Vorstand der Stuttgarter Gips-Schüle-Stiftung.

In „Solar Gate“ ist die gebündelte Fachkompetenz von gleich zwei hervorragend aufgestellten Forschungsverbünden eingeflossen: Das Exzellenzcluster „Integratives Computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur (IntCDC)“ der Universität Stuttgart forscht seit 2019 an digitalen Technologien für ein zukunftsfähiges, klimapositives Planen und Bauen. Das Exzellenzcluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)“ der Universität Freiburg hat umfangreiche Expertise im Bereich der Materialwissenschaften und der Biomimetik aufgebaut. Beide Cluster verbindet eine langjährige Zusammenarbeit in der bionisch inspirierten Architektur. „Gemeinsame Erfolge wie das Solar Gate verdeutlichen den hohen Wert dieser besonderen Partnerschaft“, betont Prof. Peter Middendorf, Rektor der Universität Stuttgart. „Solar Gate steht für Spitzenforschung auf höchstem Niveau und beweist einmal mehr, dass interdisziplinäre Vernetzung ein Motor für visionäre Ideen ist. Ich gratuliere Achim Menges, Thomas Speck und dem gesamten Stuttgarter und Freiburger Solar Gate Team herzlich zu der Auszeichnung durch die Gips-Schüle-Stiftung!“

Das bioinspirierte, wetteraktive, adaptive Verschattungssystem „Solar Gate“ könnte die CO2-Emissionen von Gebäuden um bis zu 30 Prozent senken. „Angesichts der Tatsache, dass der Bausektor weltweit rund 37 Prozent alle CO2-Emissionen verursacht, ist Solar Gate ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz“, sagt Achim Menges. 

Das innovative Verschattungssystem haben Achim Menges und Thomas Speck von Kiefernzapfen abgeschaut. Sie schließen ihre Schuppen bei Feuchtigkeit, um ihre Samen zu schützen, und öffnen sie bei Trockenheit zur Ausbreitung der Samen. Diese kontrollierte Veränderung der Zapfen wird durch zwei Schichten möglich, die unterschiedlich auf Feuchtigkeit reagieren.

Biologe Thomas Speck: „Ein System, das extrem robust und resilient ist und auch bei großen Störungen noch gut funktioniert.“ Gemeinsam mit dem Stuttgarter Architekten Achim Menges hat er diesen hygromorphen Mechanismus auf ein neuartiges Verschattungssystem übertragen. Dazu wurden im 3D-Drucker Module hergestellt, die ebenfalls zwei benachbarte Gewebeschichten besitzen und die unterschiedlich quellen und sich kontrolliert und schnell verformen können. Diese hängen an Metalldrähten zwischen den Scheiben. Die Luftfeuchtigkeit dringt durch Schlitze im Aluminiumrahmen ein und sorgt dafür, dass sich die Module selbstständig innerhalb kurzer Zeit komplett öffnen oder schließen.

Damit setzt das Verschattungssystem „Solar Gate“ gleich doppelt Maßstäbe: Weder benötigt es zusätzliche Energie noch eine externe Steuerung. Denn die Module reagieren vollkommen selbstständig auf das Wetter. Achim Menges hat daraus eine Art Bauanleitung entwickelt. Anders als bei Zapfen ist bei „Solar Gate“ entscheidend, dass die Module bei Sommersonne eine möglichst große Verschattungsfläche bilden, sich aber auch so stark zusammenziehen, damit etwa die Wintersonne ungestört ins Gebäude scheinen kann oder an bewölkten Tagen genügend Licht ins Gebäude fällt.

Dafür werden die Module aus biobasiertem Polyvinyl und Cellulosefasern im 3D-Druck hergestellt. Diese neue additive Fertigungstechnologie ermöglicht es, die Module so zu drucken, dass sich das Material später als Reaktion auf Umweltreize selbst in die programmierte Form krümmt. Letztlich handelt es sich also um einen 4D-Druck, weil die vierte Dimension mit ins Spiel kommt: die Zeit. Durch die computerbasierte Fertigung lässt sich die Reaktionsfähigkeit des Materials präzise bestimmen und optimal für die Anwendung an Gebäuden anpassen. So wird sichergestellt, dass sich das Verschattungssystem verlässlich bei heißen Bedingungen schließt und bei kaltem Wetter öffnet.

Nach ersten Tests im Labor wurden die neuartigen Verschattungselemente realen Wetterbedingungen ausgesetzt und hierzu an der Biomimetic Shell, einem Forschungsgebäude am Freiburger Zentrum für Interaktive Werkstoffe und Bioinspirierte Technologien getestet. Dabei zeigte sich, dass die Verschattungselemente zuverlässig und autonom auf die Luftfeuchtigkeit reagierten. Trotz wechselnden Wetters wiesen die Zellulose-Doppelschichten auch nach einem Jahr keine mechanischen Schäden auf. In einem nächsten Schritt soll „Solar Gate“ mit Partnern aus der Industrie weiterentwickelt werden.

„Solar Gate“ wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder. Projektbeteiligte der Universität Stuttgart waren das Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD), das Institut für Kunststofftechnik (IKT) und das Exzellenzcluster "Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur" (IntCDC). An der Universität Freiburg waren die Plant Biomechanics Group, das Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und das Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) beteiligt.

Die Gips-Schüle-Stiftung
Die Gips-Schüle-Stiftung fördert Wissenschaft für den Menschen und junge Forschung mit Visionen in Baden-Württemberg. Ihr Fokus liegt auf den MINT-Fächern (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik) sowie auf interdisziplinären Projekten. Die Stuttgarter Stiftung arbeitet eng mit den Hochschulen und Forschungseinrichtungen in Baden-Württemberg zusammen und ermöglicht die Durchführung zukunftsweisender Forschungsprojekte.
Zum Gips-Schüle-Forschungspreis 2025: Von der Natur abgeschaut