EmpaNews Januar 2012

Was geschieht imForschungshaus NEST? 14

Pilzgeige schlägtStradivari 04

Goldfasern aus demDampfstrahler 22

Magazin für Forschung, Innovation und TechnologietransferJahrgang 10 / Nummer 35 / Januar 2012

EmpaNews

Intelligent bauen

02 // Editorial

Bio-Tuning für guten KlangEin Pilz verleiht neuen GeigenStradivaris Zauber 04

Forschung, die denMenschen nützt

Typisch Empa – das machen wir seit mehr als 120Jahren. Auf eine Krawatte aus 24-karätigem Goldhat dagegen kaum jemand gewartet. Trotzdem

ist (gerade) auch das güldene Luxus-Ac-cessoire für den gut situierten Herrn (leih-weise auch für den Schreibenden) ein gu-tes Beispiel für Technologietransfer «à laEmpa». Dabei geht es nämlich keineswegsnur um nutzlosen Halsschmuck – sondernum die an der Empa entwickelte Plasma-technologie, die die hauchdünne Be-schichtung von textilen Fasern erst er-möglicht. Etwa zur Herstellung antibakte-rieller Medizinaltextilien für den OP. Undfür elektrisch leitende Fasern. Und und

und… . So gesehen ist die Goldkrawatte ein «Abfallpro-dukt». Mit einem Stückpreis von 7500 Franken aller-dings ein recht teures.

Auch das mit 4x2 Nanometer wohl kleinste Elektro-auto der Welt ist auf den ersten Blick eine blosse Spie-lerei – molekulares Lego sozusagen. Nützliche Innova-tionen sehen anders aus, mögen Sie denken. Doch ge-mach! Es sind Experimente wie diese, die Wissenschaft-lern und Wissenschaftlerinnen ein grundlegendes Ver-ständnis über das Verhalten von Materialien und Ober-flächen vermitteln. Und genau dieses ist notwendig,wollen sie neue Materialien mit verbesserten Eigenschaftenentwickeln, beispielsweise optimierte Membranen fürBatterien oder effizientere Beschichtungen für Solarzellen.Anders gesagt: Grundlagennahe Forschung wie diese istder Motor für Innovationen, gewissermassen der Hu-mus, auf dem innovative Technologien überhaupt erstgedeihen können.

Handfester geht es im aktuellen Fokus zu, in dem wirmit Ihnen einen Blick in das Bauen von morgen wagen.Dabei setzen wir uns ambitiöse Ziele: Mit NEST, unseremvisionären «Gebäude-Labor», wollen wir nichts wenigerals die Zukunft erfinden. Zumindest diejenige, in der wirleben wollen.

Viel Vergnügen beim Lesen.

Michael HagmannLeiter Kommunikation

Titelbild

Gebäude stehen für lange Zeit –daher sind sie für Kurzzeit-Experimentekaum geeignet. Die Empa will mitdem Forschungshaus «NEST» genaudieses Problem lösen: Das NESTbesteht aus einem Stahlbeton-Rückgrat, auf dessen Plattformenneuartige Wohn- und Büromoduleinstalliert werden. So könnensich experimentelle Gebäudekonzepteim Alltag bewähren.

Inhalt // 03

CT-Scans für die IndustrieDas rätselhafte Innenlebender Dinge 22

Sensoren auf der ZiegelwandAltbausanierung im beinhartenLaborversuch 18

Kleinstes Auto der WeltEin Molekül mit Allradantriebauf Probefahrt 07

Forschung und Entwicklung04 Meisterinstrumente aus dem Pilzlabor Bio-Tuning verleiht neuen Geigen echten Stradivari-Klang

07 Das kleinste Elektromobil der Welt Allradgetriebene Probefahrt im Rastertunnelmikroskop

08 Muskeln aus Plastik Serienproduktion ersetzt handgefertigte Prototypen

Fokus: Intelligent bauen

10 Experimente am Bau? NEST machts möglich! Die modulare Bau-Forschungsplattform der Empa startet 2012

14 Was geschieht im NEST? Bautechnik des 21. Jahrhunderts – in fünf Visionen erklärt

16 Die Sommersonne im Beton Saisonale Wärmespeicher mitten in der Wand

17 Und nun zur Betonvorhersage Die Empa berechnet Materialeigenschaften am Computer voraus

18 Gut gedämmt ist halb gespart Altbausanierung mit Hightech-Material im Laborversuch

20 Ein Glas für alle Fälle Elektrisch schaltbare Fenster – eine Vision für die nahe Zukunft

Wissens- und Technologietransfer21 Gold aus dem Dampfstrahler Die Empa produziert Fäden für die Haute-Couture

24 Da gehts lang Das Technologiezentrum glaTec brütet Jungunternehmer aus

Wissenschaft im Dialog26 Der Blick ins Innere Computertomographie an der Empa

Impressum

HerausgeberinEmpaÜberlandstrasse 129CH-8600 Dübendorfwww.empa.ch

Redaktion & GestaltungAbteilung Kommunikation

KontaktTelefon +41 58 765 47 [email protected]

Erscheint viermal jährlich

ISSN 1661-173X

COC-100246 FSC Mix

04 // Forschung und Entwicklung

Welches Nachwuchstalent träumtnicht davon, einst auf einerStradivari zu spielen, dem Non-

plusultra der Geigenbaukunst? Doch leidersind diese Instrumente rar – und für diemeisten unerschwinglich. «Nachbauten»von ähnlicher Klangqualität tun also gut.Der Empa-Forscher Francis Schwarze hatsie zusammen mit einem Schweizer Gei-genbauer erschaffen – und mit Hilfe desFäulnispilzes Physisporinus vitreus, derganz bestimmte Strukturen im Holz abbautund dessen Klangeigenschaften dadurcherheblich verbessert.

Nach langem Experimentieren hatte erdiesen gefunden. Durch gezielten Einsatzverleiht der Pilz dem Nadelholz ähnlicheMaterialqualitäten wie Klangholz aus Bäu-men, die während des «Maunder-Mini-mums» im späten 17. und frühen 18. Jahr-hundert wuchsen. Das damalige Klima –längere, strengere Winter und kühlereSommer – führte zu einer langsameren und

gleichmässigeren Holzbildung, schmalenJahrringen und geringer Dichte. Aus dembiotechnologisch behandelten Holz liessSchwarze einzelne «Pilzgeigen» fertigen,die dann auch deutlich besser klangen als«normale» zeitgenössische Instrumente.Selbst ihr Vorbild überflügelten sie: An ei-ner Tagung 2009 traten zwei «Pilzgeigen»in einem Blindtest gegen eine Stradivari an.Ihr Klang gefiel der Fachjury und dem Ta-gungspublikum besser als das Instrumentdes italienischen Meisters aus Cremona.

Grosszügige finanzielle Unterstützungdurch die Walter Fischli-StiftungDamit aus mit Pilzen behandeltem Klang-holz dereinst Geigen in genügend grosserStückzahl gebaut werden können, willFrancis Schwarze ein standardisiertes Bio-tech-Verfahren entwickeln. Für die Fortset-zung seines Pilzgeigenprojekts hat er inWalter Fischli, dem Mitgründer der Bio-tech-Firma Actelion, einen grosszügigen

Meisterinstrumenteaus dem Pilzlabor Geigen aus pilzbehandeltem Holz brauchen den Vergleich mit einerStradivari nicht zu scheuen, wie ein Blindtest vor Fachpublikum ergab.Allerdings gibt es die Klangwunder erst als Einzelstücke. Damit dieBiotech-Geigen künftig in grösserer Anzahl hergestellt werden können,arbeiten die ForscherInnen derzeit daran, die Prozesse der Pilzbehand-lung zu optimieren und zu standardisieren. In der Walter Fischli-Stiftunghaben sie hierfür einen grosszügigen, neuen Geldgeber gefunden.

TEXT: Martina Peter / BILDER: Christian Grund (13 Photo) , Empa , zVg

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http://tv.empa.ch/empa_tv_stradivaritest_20090910.m4vFür Smartphone-Benutzer: Bildcode scannen(etwa mit der App «Scanlife»)

Video:Stradivari-Klangdank Pilzbefall

1Francis Schwarze prüft denKlang einer Geige in seinemPilzlabor.

2Projektleiterin Iris Brémaudbegutachet Holzrohlinge in derKlimakammer und kontrolliertdie Aktivität des biologischenGeigenbau-Helfers.

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Forschung und Entwicklung // 05

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neuen Geldgeber gefunden. Genauer ge-sagt in dessen Stiftung. Fischli, ein begeis-terter Hobby-Geiger, will Schwarze finan-ziell unterstützen, weil das Projekt zweiseiner «Leidenschaften» verbindet – dieWissenschaft und die Musik (siehe Inter-view nächste Seite). In dem Anfang Sep-tember gestarteten und auf drei Jahre an-gelegten interdisziplinären Folgeprojektgeht es nun darum, ein definiertes undkontrolliertes Holzbehandlungsverfahrenzu entwickeln.

Geleitet wird das Projekt von der Fran-zösin Iris Brémaud: Sie ist nicht nur Spe-zialistin auf dem Gebiet der Klangholzei-genschaften, sie spielt vielmehr selber lei-denschaftlich gerne klassische Gitarre undhat in einem englischen Musikinstrumen-tenatelier gelernt Lauten zu bauen. IhrePassion zu Holzinstrumenten führte sie so-gar bis nach Asien. «Die Klangfülle der dor-tigen Musik ist komplett anders als inEuropa», sagt sie. «Das kommt auch daher,

dass in Asien für den Bau traditioneller In-strumente Laubholz verwendet wird, inEuropa dagegen lieber Nadelhölzer». Inden nächsten Jahren wird sie sich vertieftmit Fichten- und Ahornholz beschäftigen.Für sie ist klar: Die Arbeiten mit dem Fäul-nispilz sind sehr aufschlussreich, um bes-ser verstehen zu können, welche Holz-strukturen die Klangeigenschaften prägen.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit Brémauds und Schwarzes Projektpartner istder Geigenbauer Michael Baumgartner, der inseinem Basler Atelier in dritter GenerationStreichinstrumente baut; bis er allerdings daserste pilzbehandelte Holz erhält, müssennoch zahlreiche Tests an unbehandeltem undbehandeltem Holz durchgeführt werden. ZuBrémauds Aufgaben gehört es, in der erstenPhase herauszufinden, welche Holzprobenmit welchen von ihr sorgfältig festgehaltenenEigenschaften dem Geigenbauer zur Weiter-verwendung geeignet scheinen.

Für ihre Untersuchungen kann Iris Bré-maud auf die interdisziplinäre Unterstüt-zung zahlreicher KollegInnen an der Empazählen. Ultraschallexperte Jürg Neuen-schwander untersucht beispielsweise mit ei-ner erst kürzlich im Rahmen einer Disserta-tion entwickelten Methode mit luftgekoppel-tem Ultraschall die Schallgeschwindigkeit,Schallschwächung und Dichte des Klanghol-zes. Die Methode, mit der sich eigentlichschlecht geleimte Stellen in Lamellen auf-spüren lassen, könnte dazu dienen nachzu-weisen, in welchen Bereichen der Fäulnis-pilz aktiv war und wo nicht. Auch ErwinHack, Experte für optische Messverfahren,ist mit von der Partie: Mit einem Laser, demSpeckle-Interferometer, misst er, wie sichdie Klangholzoberfläche während desSchwingens im Tausendstel-Millimeter-Be-reich verformt. So kann er abbilden, wie ver-schiedene Klanghölzer und auch ganze In-strumente akustisch abstrahlen. //

06 // Forschung und Entwicklung>>

Die Empa setzt ihr Projekt der «Pilzgeige» fort. Ihr Zielist, ein Standardverfahren zu entwickeln, um Klangholzmit Pilzen zu behandeln. In der Walter Fischli-Stiftunghaben die ForscherInnen einen grosszügigen Geldgebergefunden.

Ein Biochemiker bzw. Biotech-Unternehmer wieSie und ein Forschungsprojekt über Klangholz fürGeigen – nicht gerade eine nahe liegendeKombination. Wie kam es dazu, dass Ihre Stiftungdas Empa-Projekt finanziell unterstützt?

Walter Fischli: Via Medien hörte ich von dem aufre-genden Pilzgeigenprojekt. Weil ich Biochemiker bin,selbst Geige spiele und ein spezielles Interesse an dengrossen italienischen Instrumenten habe, rief ich aus pu-rem Interesse Francis Schwarze an. Gleich im ersten Ge-spräch erfuhr ich, dass das Projekt aus finanziellen Grün-den nicht weitergeführt werden könne, obwohl die Ergeb-nisse doch so viel versprechend waren. Meiner Meinungnach wäre es unverzeihlich gewesen, dieses interessanteProjekt, das Wissenschaft und Geigenbau so ideal verbin-det, auslaufen zu lassen. Deshalb habe ich mich entschlos-sen, das Projekt zu unterstützen.

Was fasziniert Sie so an diesem Projekt?Dieses Projekt verbindet zwei meiner «Leiden-

schaften»: die Wissenschaft und die Musik. Ich findees ausserordentlich spannend, dem Geheimnis aufdie Spur zu kommen, warum es Geigenbauern wieStradivari und Guarneri um 1700 gelungen ist, der-artig fantastische Instrumente herzustellen. Sicher,ihr Handwerk ist einer der ausschlaggebendenFaktoren, doch offenbar spielte auch dasHolz, das ihnen zur Verfügung stand,eine grosse Rolle. Diese materialtechni-schen Gegebenheiten mit einem wis-senschaftlichen Ansatz zu ergrün-den, finde ich enorm interessant.Die Ergebnisse können uns Auf-schlüsse über die Ursprünge derso überragenden tonalen Ei-genschaften grosser anti-ker Instrumente geben.

Welche Ziele verfolgen Sie mit Ihrer Stiftung?Wir unterstützen junge Talente – sowohl Musiker

als auch Wissenschaftler, denen die finanziellen Mittelfehlen. Es geht dabei beispielsweise um hoch talentier-te junge Studenten, die an den Meisterklassen von be-rühmten Künstlern wie Cecilia Bartoli im Rahmen desMenuhin Festival Gstaad teilnehmen dürfen. UnsereStiftung unterstützt aber auch junge Talente aus derWissenschaft, die besonders innovative Projektideenverfolgen. Hier wollen wir in der Evaluation eng mitanderen Institutionen zusammen arbeiten, die für unsmögliche Kandidaten «vorfiltrieren».

Was versprechen Siesich persönlich von dem Geigenprojekt?

Mein Ziel ist es, begabten jungen Geigerinnen und Gei-gern zu einem Instrument zu verhelfen, das nicht nur er-schwinglich ist, sondern vom Klang her einer Meistervioli-ne nahe kommt. Ich bin auch ausserhalb der Stiftung be-reit, bei der Finanzierung mitzumachen, falls eine kleineFirma das Biotech-Verfahren dann schliesslich kommerzia-lisieren möchte. Die Stiftung selber verfolgt keine kommer-ziellen Interessen und ist gemeinnütziger Natur. //

Walter Fischli

Der Biochemiker ist Mitgründer vonActelion, einem biopharmazeutischenSchweizer Unternehmen mit Nieder-lassungen in mehr als 25 Ländern.Die Firma erforscht und entwickeltMedikamente für bisher unzurei-chend behandelbare Krankheiten.Seit einigen Jahren konzentriert sichFischli auf die Förderung wissenschaft-licher Beziehungen zwischen Actelionund Forschungsinstitutionen. Mit sei-ner Stiftung fördert er junge Talente inMusik und Wissenschaft.

Wissenschaft und Geigenbau –ideal verbunden Ein Mäzen erklärt sein Projekt


Ein Auto – bestehendaus einem einzigenMolekül. Das haben

Empa-Forschende zusam-men mit Kollegen der Uni-versität Groningen entwi-ckelt. Mit Hilfe eines derNatur abgeschauten Prin-zips fährt es nahezu ge-radlinig über eine Kupfer-oberfläche: In Zellen glei-

ten so genannte Motorproteine an anderenProteinen entlang, ähnlich wie ein Zug aufSchienen, und verbrennen dabei Adenosin-triphosphat (ATP). Das Nano-Auto – rundeine Milliarde Mal kleiner als ein VW Golf– ist ein synthetisches Molekül aus vierMotoreinheiten, das jedoch weder Treib-stoff verbrennt noch Schienen benötigt, umsich fortzubewegen. Die «Räder» werdenelektrisch angetrieben.

Über die Spitze eines Rastertunnelmikro-skops (STM, engl. für Scanning TunnelingMicroscope) wird das Auto mit Strom be-tankt. Dazu ist eine Spannung von mindes-tens 500 Millivolt nötig. Nun «tunneln» Elek-tronen durch das Molekül und lösen Struk-turveränderungen in den Motoreinheitenaus. Dadurch macht jedes Rad eine halbeUmdrehung. Drehen sich die vier Räder si-multan, bewegt sich das Auto (zumindesttheoretisch) in einer geraden Linie vorwärts.

Die Schwierigkeit hierbei ist, alle vier Motor-einheiten gleichzeitig anzuregen. Nach zehnSTM-Anregungen hat das Auto gut sechs Na-nometer zurückgelegt. Nach jeder halbenUmdrehung der Räder muss das Auto je-weils neu betankt werden.

Ein weiteres Experiment beweist, dassdas Molekül tatsächlich so funktioniert wievorausgesagt. Die Mittelachse besteht aus ei-ner C-C-Einfachbindung, um die die vordereund die hintere Hälfte des Autos frei rotierenkönnen. So kann das Molekül «falsch herum»auf der Kupferoberfläche landen. Dann dre-hen sich die hinteren Räder zwar nach vorne,die vorderen aber nach hinten. Das Autobleibt stehen. Landet es in der richtigen Ori-entierung, drehen alle Räder in die gleicheRichtung, das Auto bewegt sich. Da alle vierMotoreinheiten gleichzeitig angeregt werdenkönnen, hat das Auto einen «Allradantrieb» -- allerdings keinen Rückwärtsgang, denn dieRäder drehen sich nur in eine Richtung.

Die Forscher der Universität Groningenund der Empa haben mit dem Nano-Auto ei-nen «proof-of-concept» erbracht, dass ein-zelne Moleküle externe elektrische Energieaufnehmen und in eine gezielte Bewegungumwandeln können. Damit ist ihnen ein ent-scheidender Schritt bei der Entwicklung mo-lekularer Transportmaschinen gelungen, dieauf der Nanoskala in Zukunft bestimmte Ar-beiten verrichten sollen. //

Das kleinste Elektromobilder WeltEmpa-Forscher haben ein emissionsfreies, geräuschloses Allradfahrzeug mitElektroantrieb entwickelt. Darin Platz zu nehmen dürfte sich jedochals schwierig erweisen, das Auto ist gerade mal 4 x 2 Nanometer klein – einentscheidender Schritt in die Zukunft molekularer Transportsysteme.

TEXT: Michael Hagmann / BILD: Empa

08 // Forschung und Entwicklung

1Gabor Kovacs lässt eine seinerkünstlichen Muskeln spielen:2500 einzelne Polymerschichtenenthält dieser Stack, der einBund Bananen heben kann.

2Dieser Prototyp eines Pneumatik-ventils wird durch künstlicheMuskeln gesteuert und bewährtsich seit einigen Jahren imIndustrieeinsatz.

Muskelnaus Plastik

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Unterhaltungselektronik sind angedacht: So könnte mit künstlichenMuskeln ein «Force-Feedback-Touchscreen» entstehen, der die Tas-teneingaben des Benutzers quittiert, indem die gedrückte «Taste»nachgibt und hinterher wieder zur Oberfläche zurückspringt.

Drei ProduktionsmethodenDoch vor den Erfolg haben die Götter den Fleiss gesetzt: Zwar gibtes hunderte von Ideen zur Verwendung von künstlichen Muskeln,aber nur wenige Unternehmen haben sich an eine Serienfertigunggewagt. Hier setzt die Empa an. Gabor Kovacs schlägt gleich dreimögliche Herstellungsmethoden vor, die nun an der Empa weiter-entwickelt werden sollen:

– Für grosse Produktionsvolumina und Low-Cost-Anwendungensoll zum Stapeln der einzelnen Muskelschichten eine so ge-nannte Stackermaschine entwickelt werden. Diese Maschinefabriziert die künstlichen Muskeln preisgünstig aus vorgefer-tigten Folien.

– Für besonders komplexe, feine Strukturen ist eine hochpräziseFertigung nötig. Solche Bauteile sollen aus flüssigen Ausgangs-materialien geplottet werden. Ein entsprechend exakter 3-D-Positionierungsroboter steht im Empa-Labor bereit; er kannBauteile mit einem Mikrometer Genauigkeit produzieren.

– Besonders leistungsfähige Aktuatoren, die hocheffizient beiniedrigen Arbeitsspannungen funktionieren, sollen per Magne-tron-Sputtering hergestellt werden. Dabei läuft der ganze Pro-duktionsprozess unter Vakuum ab: Eine drehbare Trommelnimmt flüssiges Silikon auf, das im UV-Licht vernetzt wird. Imnächsten Arbeitsschritt wird eine nanometerdünne Silber-schicht aufgesputtert, die als Elektrode dient. Bei der nächstenUmdrehung folgt die nächste Silikonschicht, dann wieder dienächste Silberschicht und so weiter.

Am weitesten gediehen ist die Plotter-Methode aus flüssigen Aus-gangsmaterialien. An der Entwicklung des Elektrodenmaterials wardie Empa-Abteilung «Funktionspolymere» massgeblich beteiligt.Aus der interdisziplinären Zusammenarbeit ist bereits eine Spin-Off-Firma entstanden: Das Jungunternehmen «Compliant TransducerSystems» (CT Systems), unter der Leitung von Kovacs, wurde im Au-gust 2011 gegründet und soll die geplotteten künstlichen Muskelnbald in Serie produzieren. Und eine weitere Spin-Off-Firma gibt esauch schon: Die Firma Optotune baut stufenlos fokussierbare Linsenmit Hilfe künstlicher Muskeln. Diese Linsen sind konventionellenSystemen hinsichtlich Grösse, Herstellungskosten, Robustheit undEnergieverbrauch überlegen und daher für Smartphone-Herstellerhöchst interessant. Mit simplen Armdrück-Wettbewerben wird sichEmpa-Forscher Kovacs also nicht mehr lange abgeben müssen. //

Künstliche Muskeln sind Elektromotoren in vielen Bereichen überlegen– etwa in der Robotik oder bei motorisierten Prothesen. Bis zurgrossen «Ablösung» dürfte es allerdings noch etwas dauern; nachwie vor sind von Hand gefertigte Prototypen die Regel. Doch Empa-Forscher Gabor Kovacs erkundet bereits die Serienproduktion.

TEXT: Rainer Klose / BILDER: EmpaTEXT: Rainer Klose

Mit diesem System hätten wir das Armdrücken sicher ge-wonnen», sagt Gabor Kovacs von der Empa-Abteilung«Mechanical Systems Engineering» und lächelt schief. Er

denkt nicht allzu gerne an jenen Wettbewerb zurück: 2005 tratendrei internationale Teams an, um auf spektakuläre Art zu zeigen,was künstliche Muskeln leisten können. Jedes Team hatte einen Ro-boterarm entworfen. Doch künstliche Muskeln waren damals nochein junges Forschungsgebiet. So unterlagen alle drei Roboterarmeihrem menschlichen Gegner – einer 17-jährigen Schülerin.

Seitdem hat sich viel getan: Die künstlichen Muskeln – so ge-nannte elektroaktive Polymere (EAP) – haben an Kraft und Zuver-lässigkeit gewonnen. Kovacs hält Vorlesungen an der ETH Zürichund führt die nächste Generation von Ingenieurinnen und Ingenieu-ren an das Thema heran. Das Funktionsprinzip ist leicht zu verste-hen: Zwischen zwei Kondensatorplatten aus dehnbarem, leitfähi-gem Material liegt eine 10 bis 100 Mikrometer dünne Polymer-schicht. Das Polymer muss elastisch, nicht komprimierbar und einguter Isolator sein. Wird eine elektrische Spannung an die Konden-satorplatten angelegt, dann ziehen sich diese gegenseitig an – daselastische Polymer wird flachgequetscht. Ein künstlicher Muskel istgewöhnlich in Form eines «Stacks» aufgebaut – eines Stapels ausdutzenden bis hin zu mehreren tausend einzelner Muskelschichten.So kommt auch sein Verhalten zu Stande: Bei angelegter Spannungverkürzt sich der Muskel und wird zugleich dicker – genau wie seinmenschliches Vorbild.

Prototypen im AlltagseinsatzKünstliche Muskeln bleiben über hunderte von Einsatzzyklen intakt,sie sind einfacher im Aufbau als Elektromotoren – und sie benötigenkeine Übersetzungsmechanik, die die Drehung eines Elektromotorsin eine Zug- oder Drückbewegung umwandeln muss. So wundert esnicht, dass bereits einige Prototypen im Alltagseinsatz erprobt wer-den. Vor Jahren hat Kovacs mit seinem Team ein pneumatischesVentil aus künstlichen Muskeln gebaut, das in einem Industriepro-totypen bis heute seinen Dienst versieht. Auch Anwendungen in der

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http://tv.empa.ch/empa_tv_kunstmuskel_20050307.m4vFür Smartphone-Benutzer: Bildcode scannen(etwa mit der App «Scanlife»)

Video:Armdrückroboter:Künstliche Muskelnim Härtetest

Experimente am Bau?NEST machts möglich!Gebäude stehen für lange Zeit. Doch genau das behindert dieExperimentierfreude am Bau. Die Empa sucht mit dem Forschungs-projekt «NEST» einen Ausweg aus diesem Dilemma: Im NESTist nur das tragende Rückgrat von Dauer – alle Räume, samt ihrerFassaden, sind austauschbar.

TEXT: Rainer Klose / GRAFIKEN: Gramazio & Kohler; Empa

Wozu brauchen wir eigentlich Fenster?», fragt Peter Richner.Die Frage ist nicht nur rhetorisch gemeint, denn ausSicht des Baufachmanns bezahlen wir einen schönen

Ausblick mit der grössten thermischen Schwachstelle in der gan-zen Fassade: durchs Fenster geht Energie verloren. Richner, alsEmpa-Direktionsmitglied verantwortlich für das Departement«Bau- und Maschineningenieurwesen», hakt nach: «Warum lassenwir die Fenster nicht einfach weg? Wir könnten doch Häuser bau-en mit Webcams aussen und Flachbildschirmen innen.» Ein sol-ches Gebäude liesse sich perfekt isolieren, meint der Baufach-mann. Dann schaut er aus seinem Bürofenster (das es im Momentnoch gibt), betrachtet den trüben Hochnebel und setzt noch einendrauf: «Stellen Sie sich vor, das Wetter gefällt Ihnen nicht. Siebrauchen nur einen Knopf auf dem Flatscreen zu drücken undschon wird der Himmel blau. Wär das nicht viel schöner?»

Irgendwie hat Richner Recht – und irgendwie auch nicht. Wermöchte in solch einem Gebäude leben? Welcher Investor würdees wagen, so ein Haus zu bauen und es wieder abzureissen, nach-dem die Bewohner kopfschüttelnd davon gelaufen sind? In derrealen Bauwirtschaft hätte die Idee nicht den Hauch einer Chance.

Darwinismus im HausbauUnd trotzdem könnten wir schon bald erfahren, wie sich Leben ineinem «Flatscreen-Panorama-Loft» in der Realität anfühlt. DasForschungsprojekt NEST solls möglich machen. Ein Stahlbeton-kern mit einem zentralen Treppenhaus bildet das Rückgrat für dasHaus-Labor. Aussen werden die Experimente eingehängt. Unddann treten visionäre und pragmatische Ideen, modernistischeund traditionelle Wohnkonzepte live gegeneinander an: Ein fens-terloses «Flatscreen-Loft» könnte sich Wand an Wand neben ei-nem voll ökologischen Passivhaus-Modul befinden. Wände ausHanffasern und Lehm, beleuchtet von Wachskerzen. Danebensteht vielleicht ein Hightech-Modul mit neuester Heizungs- undLüftungselektronik. Alles gesteuert via iPhone.

Das geplante modulare Forschungshaus soll jedoch nicht nurschrille Ideen generieren, sondern schneller als anderswo möglichzu brauchbaren Zukunftskonzepten führen. Was gut ist, setzt sichdurch – was weniger gut funktioniert, wird nach zwei Jahrendurch ein anderes Modul ersetzt. Darwinismus im Hausbau.

Wie lebt es sich in der Wohnung von morgen?Freilich hätte eine Kombination reiner Schaustück-Module nochwenig wissenschaftliche Aussagekraft. Darum sollen ins NESTMenschen einziehen und über ihre Erfahrungen berichten. Geplantist eine gemischte Nutzung aus Grossraumbüros, Konferenzsä-len– und Wohnungen: «Wir können uns alles vorstellen», sagtRichner, «vom Einzimmerappartement für den Doktoranden bis

Fokus: Intelligent bauen // 11

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Das NEST wird mitten aufdem Empa-Gelände inDübendorf errichtet. KurzeWege für Forschende,Gäste und schaulustigeBesucher.

12 // Fokus: Intelligent bauen

zur Dreizimmer-Maisonnettewohnung für die Gastprofessorin, diemit ihrer Familie für ein Forschungssemester kommt.» So habendie NEST-Bewohnenden die Chance zu erfahren, wie Häuser derZukunft auf den Menschen wirken.

Gebaut werden soll NEST auf dem Empa-Gelände – in unmit-telbarer Nähe zu den Forschern und Forscherinnen, von denen aufden folgenden Seiten einige Projekte vorgestellt werden. Baufor-schung ist seit der Gründung der Empa eines ihrer Hauptgebiete.Doch bislang fehlte es an Möglichkeiten, visionäre Konzepte in ei-ner Art Freiluftlabor in die Praxis umzusetzen. «Ein Gebäude mussvon Anfang an funktionieren», erläutert Richner. «Das schränktden experimentellen Freiraum beträchtlich ein.» Sehr gerne hättenseine Forschungsteams bereits 2005 beim Bau des Forum Chries-bach auf dem Empa-Eawag-Campus verschiedene Fassadenvari-anten getestet. Doch das sei mit der Nutzung als Verwaltungsge-bäude der Eawag nicht zu vereinbaren gewesen. «Nun ist das Ge-bäude zwar auf dem neuesten Stand der Technik. Es ist sehr gut– aber statisch», sagt Richner. Jedes Bauexperiment endet, sobaldder Bau abgeschlossen ist.

Um weiter experimentieren zu können, schuf die Empa den au-tarken Container «Self», in dem Energie(selbst)versorgung und Däm-mung ein bisher ungekanntes Niveau erreichten. Doch auch Self warirgendwann fertig. Aus dem Projekt zur Monte-Rosa-Hütte stieg dieForschungsanstalt sogar aus. «Eine Berghütte ist ein denkbarschlechter Platz für Experimente», sagt Richner. «Wenn etwas schiefgeht, braucht es einen Helikopter, um reparieren zu können.»

«Fehler sind erlaubt.»NEST, inmitten des Empa-Geländes, soll dieses Problem lösen.Hier dürfen Fehler gemacht werden. Hier darf gewagt werden,was nirgendwo sonst möglich ist, denn die eingeschobenen Mo-dule werden nach zwei, drei Jahren ausgetauscht – so sind Bau-versuche mit überschaubarem Risiko möglich. Das Versorgungs-rückgrat aus Stahlbeton ist dagegen eine Langzeitinvestition in dieBauforschung: Es bleibt für Jahrzehnte nutzbar.

Für die verschiedenen Projektphasen möchte Departements-leiter Richner Wettbewerbe ausschreiben. Themen wie «Gebäude-automation vs. passive Klimatisierung» wären möglich; verschie-dene Varianten einer Altbausanierung könnten untersucht wer-den. Und da jedes Modul an einem eigenen Versorgungsstranghängt, lassen sich Wärmeflüsse, Kältebedarf im Sommer, Strom-

und Wasserverbrauch aufzeichnen und exakt vergleichen. Rich-ner ist zuversichtlich, dass sich auch internationale Forschungs-projekte gewinnen lassen: «So etwas wie NEST gibt es nirgends,das wird weltweit einzigartig sein.»

Das wohl ehrgeizigste Bauforschungsprojekt der SchweizSchliesslich dient NEST auch dem Wasserforschungsinstitut Eawagals Forschungslabor: Die Wasserver- und Entsorgung wird er-probt, neue Recyclingvarianten für so genanntes Grau- undSchwarzwasser können am realen Objekt und unter definiertenBedingungen getestet werden.

Noch existiert das wohl ehrgeizigste Bauforschungsprojektder Schweiz nur auf dem Papier. Zurzeit laufen die Detailplanun-gen, um die Bauausschreibung für das Rückgrat vorzubereiten,die – wenn alles glatt läuft – Ende 2012 erfolgen soll. Gleichzeitigläuft die Suche nach Industriepartnern im In- und Ausland, diebei der ersten Versuchsbelegung des NEST mit an Bord sein wol-len. Auch nach der ersten Versuchsphase wird NEST ständig seinGesicht verändern und den «heissen» Fragen rund ums Wohnenund Arbeiten auf der Spur sein. In Seminaren und Konferenzrei-hen wird dieses Wissen dann der Bauwirtschaft vermittelt. //

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1Grundriss von NEST. Jede Platt-form bietet mehr als 600Quadratmeter Nutzfläche fürExperimente. Treppenhaus,Lift und Versorgungsschächtesind im Inneren untergebracht.

2NEST in verschiedenen Ausbau-stufen. Die Forschungsmodulekönnen unabhängig voneinandermontiert und entfernt werden.

3Sommeridylle in der Caféteriavon NEST.

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Ob unsere Gesellschaft die von ihr gesetzten Nachhaltigkeitszieleerreichen kann, hängt in erster Linie davon ab, wie – und mit was– sie baut. Denn Bau, Betrieb und Erhalt des Bauwerks Schweizverbrauchen mit Abstand am meisten Ressourcen: Rund die Hälfteunseres Energiebedarfs wird durch Gebäude verursacht, und jedesJahr werden in der Schweiz an die zehn Tonnen Baumaterialienpro Person verbaut. Gleichzeitig sind Bauwerke massgeblich fürunsere Lebensqualität verantwortlich. Ausserdem haben architek-tonisch überzeugende und funktional ansprechende Bauwerkeidentitätsstiftenden Charakter und schaffen langfristige Werte. Umes auf den Punkt zu bringen: Ohnenachhaltig gebaute Umwelt keinenachhaltige Gesellschaft.

Auch wenn die Qualität des Bau-werks Schweiz auf den ersten Blicküberzeugt, dürfen wir die Augen voreiner Reihe von Herausforderungennicht verschliessen. Angesichts derjüngsten energiepolitischen Entschei-de und der Notwendigkeit, die CO2-Emissionen massiv zu senken, ist dergegenwärtige Energieverbrauch der schweizerischen Gebäude –der hauptsächlich mit fossilen Energieträgern gedeckt wird – überkurz oder lang nicht mehr tragbar. Zudem müssen etliche Gebäu-de nicht nur energetisch, sondern viel weitergehend saniert wer-den, um künftigen Anforderungen an komfortable, attraktiveWohn- und Arbeitsräume zu genügen. Rund 1,5 Millionen Gebäu-de vollständig zu ersetzen (oder umfassend zu erneuern), dürfteuns einige Jahrzehnte beschäftigen.

Sanierungsbedarf besteht aber auch bei der Verkehrs- undVersorgungsinfrastruktur. So sind etwa 40 Prozent der Brückendes Schweizer Autobahnnetzes älter als 40 Jahre. Doch damitnicht genug: Aufgrund der wachsenden Bevölkerung und derensteigenden Mobilitätsbedürfnissen müsste die Infrastruktur stetigerweitert oder zumindest angepasst werden. Die damit einherge-henden Kosten werden die öffentliche Hand in den kommendenJahren und Jahrzehnten massiv belasten.

Der Empa-Forschungsschwerpunkt «Sustainable Built Envi-ronment» ist darauf ausgerichtet, zur Bewältigung dieser Heraus-forderungen beizutragen. Bei der Entwicklung neuer Baumateria-lien geht es in erster Linie darum, den Ressourcenverbrauch zu re-duzieren – entweder durch neue Materialien mit einem geringen

Anteil an grauer Energie, durch neue Hochleistungsmaterialienmit verbesserten Eigenschaften oder durch die Wiederverwertungvon Baumaterialien. Beispiele dafür sind neuartige Zemente mitdeutlich geringerer CO2-Bilanz und der kürzlich entwickelte Aero-gel-Dämmputz. In beiden Fällen wurde die grundlegende For-schung an der Empa durchgeführt; gleichzeitig sind wir in engemKontakt mit Industriepartnern, um die innovativen Ansätze mög-lichst schnell auf den Markt zu bringen. So werden beispielsweisebereits in den nächsten Monaten erste Gebäude mit dem neuenPutzsystem isoliert.

Um die umfassende Erneuerungdes bestehenden Gebäudeparks tech-nisch, finanziell und städtebaulich zubewältigen, dürfen wir uns allerdingsnicht nur auf die Ebene des einzelnenGebäudes beschränken; vielmehr sindQuartiere oder gar Städte als Ganzes zubetrachten. Dazu gehören auch Fragendes Wohlbefindens und der Gesund-heit: Wie müssen Gebäude angeordnetsein, damit es gerade im städtischen

Umfeld nicht zu einer übermässigen Erwärmung kommt («Heat Is-land»-Effekt), die grosse Kühllasten verursacht? Und wie kann si-chergestellt werden, dass sich Luftschadstoffe in Städten nicht ak-kumulieren?

Nachhaltiges und Ressourcen schonendes Bauen bedeutetlanglebige Bauten zu errichten, deren Anteil an grauer Energie undgrauem CO2 minimal ist. Leichtbaukonstruktionen haben diesbe-züglich grosses Potential; punkto Brandsicherheit, Akustik undthermischer Masse gibt es allerdings noch einiges zu optimieren –alles Gebiete, auf denen die Empa aktiv Forschung betreibt.

Doch (Bau-)Forschung ist letztlich nur dann erfolgreich, wennsie zu praktischen Anwendungen führt. Dafür sind Demonstrati-onsprojekte wichtig. Inwiefern ein neues Material oder System dieErwartungen zu erfüllen vermag, zeigt sich oft erst beim Einsatzin einem realen Objekt, bei dem Wechselwirkungen mit anderenKomponenten und den Nutzern ins Spiel kommen. Das ForumChriesbach auf dem Empa-Eawag-Campus, der Energie-autarkeWohn- und Arbeitscontainer «Self» und das brandneue For-schungsprojekt «NEST» sind Beispiele dafür, wie die Empa denTechnologietransfer fördert und gleichzeitig neue Anregungen fürihre Forschung erhält. //

Wir bauen zuverschwenderisch

«Der gegenwärtigeEnergieverbrauch derSchweizer Gebäudeist nicht mehr tragbar.»

TEXT: Peter Richner, Direktoriumsmitglied der Empa


Maisonette-Wohnungen fürGastprofessoren und Gast-professorinnen: Minergie-P-Leichtbau mit modernenWerkstoffen, neuen Formenund intelligenter Technik

Was geschiehtim NEST?Das geplante Versuchsgebäude auf demEmpa-Gelände soll – im wörtlichen Sinn –als «Plattform» für neue Bau-Ideen undnachhaltige, energieeffiziente Lösungendienen. Auf den offenen Stockwerkenwerden Forschungsmodule künftigerWohn- und Büroräume installiert.Die Versorgung erfolgt zentral von innen.

V I S I O N

01

Doktorandenwohnungen:

Urbane, modulare Raummodule,

digitale Vernetzung, «smarte»

Technologien, funktionale

Materialien und Oberflächen

V I S I O N

03


Plus-Energie-Gemeinschaftsraum:

Intelligente Glasarchitektur,

adaptive photovoltaische

Sonnenschutzsysteme, neuartige

Beleuchtungssysteme

V I S I O N

02

Wohnmodule für wissenschaft-

liche Gäste: Passive

Raummodule aus modernen

Naturwerkstoffen, natürlicher

Komfort, minimale Technik

V I S I O N

05Kreatives Arbeiten:Effizientes, vernetztes

Arbeiten, Energie sparendeKommunikationstechnologien,intelligente Beleuchtung

V I S I O N

04


Die Sommersonne im BetonBeton ist das beliebteste Baumaterial der Welt. Pro Jahr werden weltweit zwischen20 und 30 Milliarden Tonnen verbaut. Ein Projekt an der Empa zeigt nun: Beton ist nichtnur solide und langlebig, er kann noch mehr: als saisonaler Wärmespeicher dienen.

TEXT: Nicole Döbeli / BILD: iStockphoto

Ein heisser Stein erkaltet langsam,vor allem wenn er mit genügend Iso-lationsmaterial umwickelt ist. Den-

noch verliert er kontinuierlich Wärme. Daim Sommer aufgeheizte Gebäude sichnicht einfach in Isolationsfolie einschlagenlassen, suchten die Empa-Forscher JosephKaufmann und Frank Winnefeld nach ei-ner anderen Lösung für einen saisonalenWärmespeicher.

Herkömmlicher Beton enthält zu gut15 Prozent das Mineral Ettringit. Erwärmtsich das Ettringit, beginnt es ab 80 GradCelsius, Wasser «abzudampfen». Wirdspäter dem dehydrierten Mineral wiederWasser zugeführt, setzt die Hydratations-reaktion Wärme frei. Um möglichst vielWärme speichern zu können, muss der Be-ton also möglichst viel Ettringit enthalten.Das ist allerdings nur mit Spezialzementmachbar, etwa mit Calcium-Sulfoalumi-nat-Zement (CSA), der in China schon seitlängerem im Beton verbaut wird und biszu 80 Prozent Ettringit enthalten kann. Ein

Die Empa-Alternative:Chemischer WärmespeicherÜberschüssige Sommerwärme für die Wintermonate konservieren ist auch mit einem so genann-ten Sorptionsspeicher möglich, zum Beispiel mit NaOH, also Natronlauge. Beim Sorptionsspei-cher, den der Empa-Forscher Robert Weber entwickelt, wird dem Sorptionsmittel NaOH im Som-mer mit der Wärme aus Sonnenkollektoren Wasser ausgetrieben. Der Wasserdampf wird kon-densiert und getrennt vom entwässerten Sorptionsmittel gespeichert. Im Winter wird das gespei-cherte Wasser dem Sorptionsmittel wieder zugeführt. Dabei setzt sich Wärme frei, mit der einHaus geheizt oder Warmwasser erzeugt werden kann. Der Vorteil gegenüber herkömmlichenWärmespeichern besteht darin, dass während der Lagerzeiten keine Wärmeverluste auftreten.Zudem ist das Volumen ungefähr fünfmal kleiner als bei einem vergleichbaren Wasserspeicher;für ein Einfamilien-Passivhaus würde ein Speicher von sieben Kubikmeter ausreichen, um wäh-rend des ganzen Jahres Heizenergie und Warmwasser aus Solarenergie zu erzeugen.

weiterer Vorteil gegenüber herkömmli-chem Zement: CSA-Zement setzt bei derHerstellung 40 Prozent weniger CO2 frei.

Kaufmann und Winnefeld stellten Plat-ten aus Beton mit CSA-Zement her undschichteten diese zu einem Betonblock, dervon Heizschlangen durchzogen ist. Wirdder Block im Sommer zum Beispiel mit Hil-fe von Sonnenkollektoren auf 80 Grad er-wärmt, beginnt das Ettringit, Wasser abzu-geben. Der Dampf wird aufgefangen undkondensiert. Übrig bleibt der dehydrierteBetonblock.

Im Winter läuft der Prozess umgekehrt:Wasser wird in den Beton geleitet, vom Ett-ringit aufgenommen – und schon setzt sichWärme frei, die über die Heizschlangen ab-geleitet werden kann. Der Vorteil gegenüberanderen Wärmespeichern ist, dass die Wär-meabgabe über die Wasserzufuhr regelbarist. So liesse sich beispielsweise eine Boden-heizung den ganzen Winter lang auf 25 GradCelsius halten oder das Duschwasser auf 40Grad erwärmen.

Und noch einen weiteren Vorteil bietetder Betonspeicher: Der Volumenunter-schied vom dehydrierten zum hydriertenBeton ist vernachlässigbar klein – andersals etwa bei einem Paraffinspeicher, dersich ausdehnt, wenn das Paraffin schmilzt.Um ein Einfamilienhaus über den Wintermit der Sommerhitze zu heizen, würde einBetonblock mit einer Kantenlänge vonetwa fünf Meter genügen. Das entsprichtetwa dem Volumen eines Wasser- oder Pa-raffinspeichers. Auch preislich kann Betonmithalten; eine Tonne CSA-Zement kostet300 Franken, eine Tonne Paraffin circa1000 Franken. Und bei einem bis einein-halb Ladezyklen pro Jahr sollte die «Beton-heizung» gut 30 Jahre halten.

Das Verfahren haben Kaufmann undWinnefeld bereits patentieren lassen. Siewollen den Beton-Wärmespeicher jetzt inZusammenarbeit mit Industriepartnernweiterentwickeln und testen. //

0.1 1 10 100 10000

10

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120

Inert

Ye'elimit

Belit

Al(OH)3Monosulfat

Strätlingit

Ettringit

Flüssige Phase

Zusammen

setzun

g / cm

3 /10

0g Trockenzem

ent

Abbindezeit / h

ChemischeSchrumpfung28 Tage

Modellierung der festen Phasen (Volumen)

Anhydrit


Mit Hilfe einer Datenbank und eines Thermodynamik-Programms lassensich die Eigenschaften von Beton vorausberechnen und optimieren.So kann CO2 eingespart werden und das Bauteil hält viele Jahre länger.

TEXT: Nicole Döbeli / GRAFIK: Empa

Sechs bis acht Prozent des weltweiten CO2-Austos-ses entstehen beim Herstellen von Zement. Ob-wohl pro Tonne Zement viel weniger CO2 freige-

setzt wird als etwa pro gleiche Einheit Stahl oder Alu-minium – nämlich knapp eine Tonne. Das Problem istdie Menge: Weltweit werden jedes Jahr drei MilliardenTonnen Zement produziert, Tendenz steigend.

Abhilfe lässt sich schaffen, indem Ausgangsmate-rialien mit einem geringeren Carbonatanteil verwendetwerden, wobei der CO2-Austoss bei der Zementherstel-lung sinkt. Wenn das Bauwerk dadurch gleich noch län-ger hält und erst später abgebrochen werden muss, istein weiterer Schritt zur CO2-Einsparung geschafft.

Mit verbesserten Zementmischungen beschäftigtsich Barbara Lothenbach. Da es (zumindest theore-tisch) beliebig viele Rezepturen für Zement gibt, hat sieein Computerprogramm mitentwickelt, das die chemi-

schen Reaktionen beim Abbinden vom Zement voraus-sagt. GEMS (Gibbs Energy Minimization Selektor), soder Name des Simulationsprogramms, entstand amPaul Scherrer Institut PSI und wird dort weiterausge-baut. Es dient der thermodynamischen Modellierungvon Stoffen. GEMS berechnet, wie sich Stoffe unter ge-wissen Umständen und über die Zeit verhalten und ver-ändern. Lothenbach hat GEMS mit den Werten aus derZementdatenbank der Empa «gefüttert». Somit kann sieaus allen in der Datenbank erfassten Zementmineralienund -zusatzstoffen nun jede x-beliebige Mischung amComputer virtuell herstellen und deren Eigenschaftenund Verhalten berechnen – sogar über Jahre hinweg.

Ein Forschungsprojekt beschäftigt sich zum Beispielmit der Langzeitstabilität von Beton in Tunnelbauten.Wenn natriumsulfathaltiges Bergwasser in Tunnel ein-dringt, reagiert es mit dem Beton zu Ettringit und Thauma-sit, zwei Mineralien, die die Gefügefestigkeit von Betonsenken und diesen dadurch abplatzen lassen können. MitHilfe von GEMS kann Lothenbach diese Reaktionen simu-lieren. So ist es möglich, bereits bei der Planung des Bau-projekts eine geeignete Zementmischung auszuwählen,um die Bildung von Ettringit und Thaumasit zu vermin-dern. Beispielsweise indem dem Zement Flugasche beige-mischt wird, die ihn widerstandsfähiger gegen sulfathalti-ges Wasser macht. Mit diesen Computersimulationen istdie Empa weltweit führend in der thermodynamischen Mo-dellierung von Zement. //

Computersimulationvon Betoneigenschaften

Die Zusammensetzung einer Betonprobe ändertsich während des Abbindeprozesses. DieComputermodellierung hilft dabei, Eigenschaftender Baustoffmixtur präzise vorauszusagen.Die Empa ist weltweit führend auf diesem Gebiet.


1Hightech und Altbau: Dieser elektronischeFeuchtesensor wird später unter demAussenputz der nachgebauten Altbauwandliegen. Ein Dutzend solcher Sensoren sindan den Probewänden montiert und doku-mentieren, wie gut die Isolation funktioniert.

2An diesen drei Probewänden werden dieIsolationsversuche durchgeführt. Die«Aussenwand» wird in einer Klimakammerhärtesten Witterungseinflüssen (Sonne,Regen, Frost) ausgesetzt. Die «Innenwand»ist vom Labor aus zugänglich.

2Projektleiter Thomas Stahl erläutert denAufbau der Wandstücke. Der Balkendarf durch die nachträgliche Isolierung nichtschimmeln, sonst ist die Statik des Hausesin Gefahr.

Mit modernster Elektronik untersuchen Empa-Forscher eineim Labor nachgebaute Altbauwand, um daran neuartigeInnenraum-Dämmmaterialien und Sanierungsmethoden zuerproben. Vom optimal gedämmten Altbau profitiert nicht nurder Hausbesitzer, sondern auch die Klimabilanz der Schweiz.

TEXT: Rainer Klose / ZEICHNUNG: André Niederer

Energiepolitik fängt im eigenen Wohn-zimmer an – denn die wohlige Wär-me in Schweizer Stuben macht das

Land abhängig von Erdöl- und Gasimpor-ten. Das Bundesamt für Energie (BFE) ver-misst diese Abhängigkeit Jahr für Jahr. Siesteigt. 2010 erreichte der Energieverbrauchein neues Rekordhoch: 911550 Terajoule(253 Milliarden Kilowattstunden) – das sind4,4 Prozent mehr Energie als 2009 und gut30 Prozent mehr als 1980.

Sind wir mit unserem Energieverbrauchwenigstens ökologisch korrekt? Nicht wirk-lich. Importiert wurden vergangenes Jahrunter anderem 4,5 Millionen Tonnen leich-tes Heizöl und 3,1 Millionen KubikmeterErdgas. Diese beiden – nicht erneuerbaren –Energieträger deckten zusammen rund einDrittel des Schweizer Energiebedarfs. Erneu-erbare Energien kamen nicht annähernd andiese Grössenordnung heran: je 0,2 ProzentBiogas und Sonnenenergie, 1,2 Prozent Um-weltwärme (Erde, Wasser, Luft).

Folgerung: Noch immer beheizen wirWohnungen, Büros und öffentliche Gebäudevorwiegend mit importierter, fossiler Ener-gie. Geheizte Räume «fressen» laut BFE-Sta-tistik mehr Energie als der gesamte Inlands-verkehr der Schweiz, sie verbrauchen dop-pelt so viel wie alle industriellen Prozesse,zehnmal mehr als die gesamte Beleuchtung,dreissigmal mehr als Kommunikation, Inter-net und Unterhaltungselektronik. Um denCO2-Ausstoss zu senken, ist also vor allemeines zu tun: Gebäude dämmen. Nicht nurNeubauten müssen immer höhere Stan-dards erfüllen, sondern vor allem Altbau-ten – in der Schweiz rund 1,4 Millionen –müssten energetisch saniert werden.

Die Herausforderung dabei: Der Schwei-zer Heimatschutz möchte die Optik histori-scher Gebäude bewahren und untersagt

nicht selten eine Dämmung von aussen. Esbleibt nur eine Dämmung von innen. Dochdie ist nicht unproblematisch. Eine zu per-fekte Dämmung kann einen Altbau starkgefährden, gar bis zur Unbewohnbarkeitruinieren, weiss der Bauphysik-IngenieurThomas Stahl: «Wenn eine alte Ziegelwandvon innen gedämmt wird, kann die Wandvon aussen durchgefrieren. Dann drohenFrostbrüche, die Tragfähigkeit leidet.»Noch schlimmer kann es kommen, wenntragende Holzbalken falsch isoliert wer-den: «Es entsteht Kondenswasser an derSchnittkante des Balkens. Er kann inner-halb weniger Jahre durchfaulen. Dann istdas Haus abbruchreif», warnt der Empa-Forscher.

Um dies zu vermeiden, untersuchtStahl systematisch das Zusammenspiel vonalter Bausubstanz und modernen Dämm-methoden. Doch wie simuliert er einen Alt-bau? Ganz einfach: Mit Ziegeln, Rauputz

Gut gedämmt isthalb gespart

Versuchs-isolierung

Aussenputz Innenputz

Sensoren fürTemperatur& Feuchte

Sensor fürHolzfeuchte

Ziegel-mauerwerk

Fichtenholz-Balken

und Holz, also den Baumaterialien jenerZeit. Dazu braucht es eine leistungsfähigeKlimakammer, in der diese Materialien me-thodisch «gefoltert» werden.

Der AufbauIn der Bauhalle der Empa stehen drei identi-sche Wandstücke, die die Aussenhaut einestypischen 1950er-Jahre-Bauwerks darstel-len: Tragstruktur aus roten Hohlziegeln,Aussenhaut aus Kalk-Zementputz, innen einweisser Gips-Kalkputz, keine Isolierung. Injeder Wand steckt zudem noch ein Fichten-holzbalken, der innen auf einem Mauerstückaufliegt und von der Aussenwitterung nurdurch eine dünne Ziegelwand abgeschirmtist. «An diesem Bauteil testen wir, wie unse-re Isolierung mit den typischen Deckenbal-ken eines Altbaus zusammenspielt», erläu-tert Stahl. Der Balken ist über hundert Jahrealt und wurde bei einem Händler für histori-sche Baustoffe gekauft.

1


Der VersuchDie Wandstücke werden zunächst in die Kli-makammer der Empa eingebaut und demEOTA-Test unterworfen (European Organisa-tion for Technical Approvals). Die Aussen-wand wird 25 Tage lang beregnet und be-sonnt, auf Minustemperaturen abgekühlt undwieder aufgewärmt. Die Innenseite des Wand-stücks bleibt an der Laborluft: 40 ProzentRaumfeuchte, 22 Grad Celsius. «Dieser Test isteine wahre Rosskur», sagt Stahl, «er simuliertdie reale Belastung von mehr als einem Jahr.»

Nachdem die Daten für die Original-wand gesammelt sind, werden die Wändeisoliert und erneut dem EOTA-Test unter-worfen. Dabei wird äusserst genau daraufgeachtet, ob etwas schief geht. Sammeltsich Wasser in der Wand? Wird der Balkenfeucht? Im Zweifel wird der Test wieder-holt und der Balken von der Dämmungausgespart. Stahl: «Wir möchten dokumen-tieren, wie man Fehler vermeidet.»

Damit die Empa-Forscher nicht perHand fühlen müssen, wenn eine der Ver-suchswände kalt oder feucht wird, sind imPutz speziell entwickelte Feuchtesensorenversenkt. Auch der Fichtenholzbalken istmit Sensoren gespickt. Die Altbauwand imEmpa-Labor ist de facto ein voll verkabelterHightech-Klimaspion. Eine perfekte Grund-lage für Isolationsexperimente. «Wir möch-ten genau wissen, was in der Wand passiert,warum es passiert – und wie schlimm es ist,was da passiert», erklärt Thomas Stahl.

Das Experiment an der Empa stehtnicht allein, sondern ist Teil eines grossenForschungsprojekts namens «SuRHiB»(Sustainable Renovation of Historical Buil-dings). Drei Industriepartner sind beim ers-ten Versuchszyklus der Empa mit von derPartie. Die Firmen bieten verschiedeneDämmsysteme an (siehe Kasten) und wol-len sich einem Vergleichstest unter identi-schen Bedingungen stellen.

Die ErkenntnisBei der wissenschaftlichen Auswertunggeht es nicht darum, einen Sieger zu kürenund einen Verlierer zu benennen: Natürlichbringt nicht jedes Material gleich guteDämmeigenschaften mit sich. Der Test wirdzeigen, was neuartige Dämmstoffe zu leis-ten vermögen – und wo ihre Anwendungs-grenzen liegen. Die Materialien werden da-raufhin in eine internationale Baustoff-Da-tenbank eingetragen, auf die Architektenund Planer weltweit zugreifen. Aufgeführtwerden unter anderem die Sorptionsiso-therme (ein Wert für die Feuchtespeiche-rung), die Wärmeleitfähigkeit, Wärmeka-pazität, Porösität und Dichte sowie dieWasserdampfdiffusionswiderstandszahl µ(siehe Kasten). Neben den reinen Zahlen-werten liefert der Test Erkenntnisse überdas Zusammenwirken der Dämmung mitdem Gesamtsystem der Wand. Damit kenntder Hersteller die detaillierten Material-eigenschaften seines Produkts. Sein Kundekauft einen auf Herz und Nieren geprüftenBaustoff – und nicht die «Katze im Sack».

Theorie und PraxisFür den Bauforscher Stahl werden sich dieVersuche ebenfalls auszahlen. Die Zukunftder Baukunde liegt in der Computersimulati-on, gefüttert mit den Daten verschiedener Materialien. Auch die Daten des 25-tägigenEOTA-Tests lassen sich per Computer aufmehrere Jahre hochrechnen. Weil die Wändewiederverwendbar sind und mit immer neu-en Isolationsschichten belegt werden können,liefern die Empa-Tests im Laufe der nächstenMonate eine Fülle neuer Daten, mit denen ak-tuelle Simulationsrechnungen verfeinert wer-den können. Von diesem Know-how profitie-ren Hausbesitzer und Mieter – und am Endeauch die Schweizer Klimabilanz. //

Innenraum-Dämmstoffe im Empa-Test

EPS (Extrudiertes Polystyrol) mit kapillaraktivem Zusatz, Wärmeleitfähigkeit ca. 0,035 W/(mK),Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl* ca. 30, Raumgewicht 20 – 40 kg/m³Aerogel-Dämmplatte, Wärmeleitfähigkeit 0,0131 W/(mK),Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl* 11, Raumgewicht 150 kg/m³Vakuum isolationspaneel, Wärmeleitfähigkeit : 0,007 W/(mK),Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl*: dampfdicht, Raumgewicht: 180 - 220 kg/m³

* Die Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl gibt die Durchlässigkeit des Materials fürWasserdampf an im Vergleich zu einer ruhenden Luftschicht. Je höher der Faktor µ,desto dampfdichter ist das Material. Viele Bauherren bevorzugen wegen des Raumklimasdampfdurchlässige Baustoffe. Unter Experten ist die Aussagekraft dieses Messwertsjedoch umstritten.

2 3

26 // Im Dialog20 // Fokus: Intelligent bauen

Schaltbares Fensterglas, das auf Knopfdruck dunkel, trüb oder UV-reflektierendwird, bietet im Hausbau etliche Vorteile. Doch die Produktion solcherScheiben ist aufwändig und teuer. Der Empa-Forscher Matthias Koebel suchtnach preiswerteren Verfahren.

TEXT: Rainer Klose / BILDER: Empa, iStockphoto

Es wird eine Zeit geben, in der das Herunterkurbeln von La-mellenstoren als hoffnungslos altmodisch gelten wird.Dann werden die Menschen abends nach Hause kommen,

Licht machen – und nicht etwa die Vorhänge zuziehen, sondernnur noch über eine «App» auf ihrem Smartphone das Wohnzim-merfenster anwählen. Sofort trübt es sich ein – ungestört von neu-gierigen Nachbarn beginnt der Feierabend.

Um Visionen dieser Art zu verwirklichen, braucht man soge-nannte schaltbare Gläser: Beschichtungen auf der Fensterscheibe,die unter elektrischer Spannung deren optische Eigenschaften ver-ändern. Von klar zu trüb, von hell zu dunkel, von durchsichtig zuspiegelnd. Dann wären Lamellenstoren überflüssig – und Vorhän-ge nur noch zur Zierde da.

An der Empa arbeitet Matthias Koebel, ein Fachmann für Kol-loidchemie und Oberflächen, daran, diese Fenster-Zukunft näherrücken zu lassen. Schaltbare Gläser gibt es schon heute, doch dieHerstellung im aufwändigen Vakkum-Sputter-Verfahren ist teuer.So begegnen uns bis jetzt nur kleine, schaltbare Glasflächen: Au-tomatisch abblendende Innenspiegel im Auto, Museumsvitrinen,die sich eintrüben und als Projektionswand dienen – oder die Ka-binenfenster der neuen Boeing 787 Dreamliner, die sich aufKnopfdruck verdunkeln lassen. Nur zu gerne möchte man all die-se Eigenschaften nun auch für grosse Glasflächen nutzbar ma-chen. Doch dafür braucht es eine preiswerte Beschichtungsme-thode, die für grossindustrielle Prozesse tauglich ist.

Kolloide aus dem TintenstrahldruckerHier kommt Matthias Koebel ins Spiel: Er ist Spe-zialist für kolloidale Lösungen, also sehr erfah-ren darin, unlösliche Stoffe in Flüssigkeiten «insSchweben» zu bringen bzw. als kleinste Teil-chen für das Auge unsichtbar zu verteilen. MitHilfe von Kolloiden sollten grossflächige, preis-günstige Beschichtungen möglich sein, davon istKoebel überzeugt.

Erste Versuche haben bereits begonnen: In Koebels Laborsteht eine Art professioneller Tintenstrahldrucker. «Damit könnenwir 100- bis 200-Nanometer dünne Schichten aufs Glas aufbringen,die innert Sekunden trocknen und danach weitere Funktions-schichten tragen können», erklärt der Forscher. «So kann mankomplexe Schichtstrukturen systematisch aufbauen». Wichtig fürdie Funktion ist eine gleichmässige Schichtdicke. Die fertigen Pro-ben werden nach dem Trocknen mit Rasterelektronenmikroskop(REM), Rasterkraftmikroskop (AFM), optischer Spektroskopie undanderen gängigen oberflächenspezifischen Methoden untersucht.

Innerhalb der Empa koordiniert Koebel das Projekt «EmpaWindow» – ein Team, das sich ausschliesslich mit intelligentenMaterialien für Fenster beschäftigt. Diese Aktivitäten, die erst vorwenigen Monaten begonnen haben, haben bereits erste Früchtegetragen, in Form von zwei EU-Projektanträgen. Partner ist in bei-den Fällen das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)in Freiburg im Breisgau. Die Forscher am ISE haben jahrzehnte-lange Erfahrung mit Glasbeschichtungen und entwickeln im Pro-jekt ein «trockenes» Sputtering-Verfahren, bei dem die Beschich-tungen im Vakuum aufgedampft werden. Die Empa untersucht da-gegen die Möglichkeiten und Eigenschaften «nasschemisch» –eben aus kolloidaler Lösung – aufgebrachter Schichten.

Bis die ersten elektrisch schaltbaren Fensterscheiben auf denMarkt kommen, mag es noch einige Jahre dauern. Häuslebauer

von heute müssen also wohl oder übel noch immer «alt-modische» Lamellenstoren vor ihre Fenster montie-ren. Doch die Ablösung dieser Technik ist in Dü-bendorf bereits in Arbeit. //

Ein Glas für alle Fälle

Matthias Koebel befüllt seinen «Labordrucker» miteiner Kolloidlösung. Die funktionelle Schicht wirdauf einen gläsernen Objektträger gedruckt, getrocknetund danach im Elektronenmikroskop analysiert.

Im Dialog // 27Wissens- und Technologietransfer // 21

Gold aus dem Dampfstrahler

Mit einer Vakuum-Beschichtungsanlage schreiben Empa-Forscher Modegeschichte.Dank der Hightech-Methode entstand ein Garn mit 24-karätiger Echtgoldauflage.Kommendes Jahr erlebt das Material seine Premiere auf dem Catwalk einer Haute-Couture-Kollektion; eine Serie Krawatten gibt es schon jetzt.

TEXT: Rainer Klose / BILDER: Empa; Vincent von Ballmoos

Projektleiter Martin Amberg schaut durch einGuckloch ins Innere seiner Beschichtungsanlageund scheint zufrieden. Obwohl nicht viel zu se-

hen ist: Violettes Licht erfüllt den Innenraum der Appa-ratur, die etwa so gross ist wie ein Familienkühl-schrank. Fäden sind eng nebeneinander in der Maschi-ne verspannt und bewegen sich am Sichtfenster vorbei.

Das violette Leuchten stammt von einem Gold-stück, das durch hochenergetische Strahlung in seineAtome zerlegt wird. Am anderen Ende des Apparatesdas Ergebnis: Eine dünne Röhre, fast wie ein Strohhalm,zeigt nach oben; aus ihr wird ein Faden gezogen und

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auf einer Haspel aufgewickelt. Im Sonnenschein, derdurch die Fenster der Industriehalle fällt, schimmert deraufgewickelte Faden golden.

Hier, in einem Nebenraum der Spinnerei Tersuisseim innerschweizerischen Emmenbrücke, entsteht mitHilfe der Empa eine Weltneuheit: eine Faser mit 24-ka-rätiger Goldbeschichtung. Die Stoffe, die daraus gewo-ben werden, glänzen in der charakteristischen Farbedes Edelmetalls, doch sie verlangen keine Kompromissevon den Kunden: Die Faser fühlt sich weich an, ist ab-riebfest und sogar maschinenwaschbar. Seit Sommer2011 wird die Faser produziert. Die erste Charge ging an

22 // Wissens- und Technologietransfer

die Weberei Weisbrod-Zürrer in Hausen amAlbis und wurde dort zusammen mitschwarzer Seide zu Krawattenstoffverarbeitet. Aus einer Stoffbahn,die 25 Gramm Gold enthält,können drei Krawatten, eineFliege und ein Einstecktuchgefertigt werden. Ein nichtganz billiges Vergnügen,wie man/frau sich vorstel-len kann.

Doch wie kommt dasGold auf den Faden? DieEmpa-Forscher entschiedensich für ein Verfahren namensMagnetron-Sputtering. Sie benöti-gen dazu nur etwas Strom, einenGolddukaten, ein paar Liter Argongas undein Vakuumgefäss, dass gross genug ist, um darin 4000Meter Faden in engen Schlaufen abzuspulen. Wer alldas beisammen hat, kann Gold bei Raumtemperaturverdampfen und damit vergoldete Fäden fabrizieren: ImInneren der Beschichtungsanlage wird das Goldstück –ein so genanntes Target – mit schnell fliegenden Argon-Ionen beschossen. Goldatome fliegen davon und setzensich auf einem Polyesterfaden ab, der wenige Zentime-ter vor dem Target langsam durch die Maschine gezo-gen wird.

Ganz so einfach geht es natürlich nicht – die Detailsmachen die Rezeptur: Wie der Polyesterfaden vorberei-tet wird, damit das Gold haften bleibt, welche Betriebs-spannung und welche Schichtdicke die besten Effekte er-geben – das alles ist Betriebsgeheimnis. Wenn sichWeihnachten 2011 die ersten stolzen Besitzer ihre Gold-krawatte umbinden, dann markiert dieser Moment denHöhepunkt einer zehnjährigen Forschungsarbeit. So lan-ge testeten und verfeinerten Textilfachleute der Empa inSt. Gallen die Methode des Magnetron-Sputtering. Umsystematische Erfahrungen zu gewinnen, zerstäubtensie alle möglichen Metalle – Titan, Aluminium, Stahl,Kupfer und Silber – und liessen sie in atomarer Formauf Polyesterfäden prasseln.

Ziel des Projekts war zunächst ein Silberfaden, deralsbald diverse Abnehmer fand: Mit Silber beschichteteFäden wirken antibakteriell – das interessierte zum Bei-spiel einen Sockenfabrikanten, der daraus geruchsfreieSocken herstellt. Auch die Modebranche suchte nach ei-nem dauerhaft haltbaren Silberstoff. Silber ist ausser-dem elektrisch leitfähig – das machte den Empa-Fadenzur passenden Grundlage für Sensorbauteile und für an-tistatische Filterstoffe für die Industrie. Was mit Silbergeht, könnte auch mit Gold funktionieren, fanden dieProjektpartner und starteten im Januar 2010 das «Gold-fadenprojekt».

Nun waren gleich mehrere Probleme zu lösen: Wieviel Gold ist nötig, damit der Faden glänzt? Hilft ein Un-tergrund aus Silber, den Glanz zu verbessern? Lassensich Silber und Gold in einem Arbeitsgang applizierenund somit eine «Legierung» direkt auf dem Faden her-stellen? Als Ergebnis der Versuchsreihen stellte sich he-raus, dass eine Menge von drei Gramm reinem Gold pro

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1

Wissens- und Technologietransfer // 23

Kilometer Faden einen schönen Glanz in einem dezen-ten altgoldfarbenem Ton erzeugt. Ist Silber die Grund-lage, dann leuchtet das Gold deutlich heller; die Farbewirkt so auffällig wie bei massivem Goldschmuck. DieSilberschicht lässt sich im gleichen Arbeitsgang auftra-gen, wenn ein Gold- und ein Silbertarget nebeneinanderin der Maschine eingespannt sind und gleichzeitig be-schossen werden. Auf diese Weise ist eine Echtgoldauf-lage für ganz unterschiedliche Modeaccessoires und un-terschiedliche Geschmäcker herstellbar: Während einGeschäftsmann eine Krawatte in dezentem Altgold be-vorzugen mag, darf die feine Stickerei auf der Abend-garderobe einer Dame durchaus etwas heller leuchten.

Nach 24 Monaten geht das Goldfadenprojekt nunerfolgreich zu Ende; die Weiterverarbeitung des Garnsübernehmen zwei Partnerfirmen, die am Projekt vonAnfang an beteiligt waren: Weisbrod-Zürrer und die Sti-ckerei und Dekorstofffabrik Jakob Schlaepfer in St. Gal-len. Zum Weihnachtsgeschäft ist eine limitierte Kleinse-rie Goldkrawatten bereits im Verkauf. Wegen der be-grenzt verfügbaren Menge an Goldfaden wird es 2011gerade einmal ein Dutzend Goldkrawatten weltweit ge-ben. Exklusivität, edles Material und Hightech-Produk-tionsmethode haben ihren Preis: 7500 Franken muss derKäufer einer Goldkrawatte auf den Tisch legen. Dafürdarf er sich sicher sein, rund acht Gramm echtes Goldauf der Brust zu tragen.

Auch in Zukunft wird die Empa-Goldkrawatte nichtzur Massenware werden. Bei voller Auslastung könntenpro Jahr theoretisch 600 Stück produziert werden.Ganz bestimmt werden es jedoch deutlich weni-ger sein – denn ein Teil der Produktion ist fürden zweiten Projektpartner, Jakob Schlaep-fer, reserviert. Dieser wird das Goldgarnfür die Haute-Couture-Kollektion Winter2012/13 verwenden. Die Kollektionwird im Frühjahr präsentiert. //

1Projektleiter Martin Amberg überwacht die Vakuum-Beschichtungsanlage, in der sich ein schlichterPolyesterfaden in einen Echtgoldfaden «verwandelt».Bild unten: ein so genanntes Target, das bereitsverbraucht ist. Der Beschuss durch Argon-Ionen frästeine kreisförmige Rille ins Metall.

2Ortstermin in der Zürcher KrawattenmanufakturHofmann: Der Goldstoff, bestehend aus Goldfädenund schwarzer Seide, wird zugeschnitten und von Handzu einer edlen Krawatte vernähnt. Bild unten:Martin Amberg und Textilingenieur Chokri BenkhaledKasdallah freuen sich am edlen Endprodukt ihrer Arbeit.

http://tv.empa.ch/empa_tv_goldkrawatte_20111201.m4v Für Smartphone-Benutzer: Bildcode scannen(etwa mit der App «Scanlife»)

Video:GoldfadenHerstellung

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24 // Wissens- und Technologietransfer

Optische Instrumente für die Raumfahrt, ein Messsystemzur drahtlosen Überwachung von Bauwerken, ein intelli-gentes Bettsystem für Bettlägrige, ein Verfahren, das Ge-

treide tonnenweise analysiert und sortiert, nachgiebige Kompo-nenten für den Maschinenbau und stufenlos fokussierbare opti-sche Linsen. All diese Produkte und Verfahren stammen aus ei-nem Hause, dem Empa-Technologiezentrum glaTec in Dübendorf.Oder besser gesagt: von den dort eingemieteten Jungunterneh-men, Spin-offs der Empa, aber auch andere Hightech-Start-ups mitso klingenden Namen wie Decentlab, Compliant Concept, Qualy-sense, Monolitix, Optotune und Micos Engineering.

Als das erste Start-up – Optotune – ins glaTec einzog, hatten dieUnternehmensgründer bereits etwas im Gepäck, was vielen Jungfir-men anfangs noch fehlt: einen fix und fertigen Businessplan. DieIdee für das Produkt war also bereits ausgereift. Ihre flexiblen, stu-fenlos fokussierbaren optischen Linsen auf der Basis «künstlicherMuskeln» sind konventionellen Systemen hinsichtlich Grösse, Her-stellungskosten, Energieverbrauch und Robustheit deutlich überle-gen. Doch: «Ein Demonstrationsobjekt hat man schnell einmal – ent-scheidend ist, dass man es einem Kunden auch verkaufen kann»,sagt Mark Blum, Mitgründer und operativer Geschäftsführer von Op-totune. Die Produkte des Jungunternehmens können in verschiede-nen Gebieten eingesetzt werden, zum Beispiel in Leuchten für Mu-seen, Einkaufszentren oder zu Hause, aber auch für sehr schnelleBarcode-Scanner oder als optisches Zoom in Mobiltelefonen.

Was sie 2009 suchten und im Business-Inkubator der Empaauch fanden, waren die dringend benötigten Räume mit Infra-struktur und eine Forschergruppe in unmittelbarer Nachbarschaft,die an einem ähnlichen Thema arbeitete – elektroaktive Polymereoder anders ausgedrückt: künstliche Muskeln. Mit den Empa-For-schern um Gabor Kovacs und Silvain Michel konnten sie sich nichtnur fachlich austauschen, sondern auch gemeinsam ein geeigne-

Da gehts lang

Was ist glaTec?

Der Förderverein glaTec führt an der Empa in Dübendorf ein Techno-logiezentrum, um Unternehmensgründungen und Innovationspro-zesse im Bereich der Material- und Umweltwissenschaften zu fördernund zu unterstützen. glaTec wird getragen von der Empa, dem Was-serforschungsinstitut Eawag, der Glattaler Standortförderung glow,der Standortforderung des Kantons Zurich sowie den Stadten Düben-dorf und Zurich. www.glaTec.ch

tes Labor aufbauen. Ein Aspekt, der auch für die Empa wichtig ist.«Für uns ist es zentral, dass ein Jungunternehmen zur Empa passt,damit konkrete Forschungskooperationen eingegangen werdenkönnen», sagt glaTec-Geschäftsführer Mario Jenni.

Unterschiedliche HerausforderungenJedes Jungunternehmen sieht sich mit ganz anderen Herausforderun-gen konfrontiert; bei Optotune standen Räumlichkeiten und Kontaktzu anderen Forschern im Vordergrund, andere Jungunternehmenbrauchen Hilfe bei Marktabklärungen oder Coaching für Gesprächemit potenziellen Investoren. «Gerade in der Frühphase des Geschäfts-aufbaus werden Weichen gestellt, die die zukünftigen Erfolgschancenmassiv beeinflussen», sagt Jenni. Sich zum richtigen Zeitpunkt nachUnterstützung umzuschauen, ist für Firmengründer deshalb enormwichtig. So sei es ratsam, sich Fachleute ins Team zu holen, etwa inwirtschaftlichen Belangen, oder sich bei Verhandlungen von erfahre-nen Geschäftsleuten begleiten zu lassen. Jenni: «Das ist schlussend-lich der Weg in die Unabhängigkeit.»

Seit 2009 haben sich im glaTec, dem Technologiezentrum der Empain Dübendorf, sechs Jungunternehmen eingemietet. Die ersteStart-up-Firma, Optotune, hat diesen Sommer den Business-Inkubator«planmässig» wieder verlassen, um die Produktion ihrer optischenLinsen an einem neuen Standort hochzufahren. Doch wie in begehrterWohnlage üblich, werden die Räumlichkeiten im glaTec nicht langeleer stehen: Die bereits eingemieteten Start-ups expandieren und neuesuchen die Nähe zur Empa, von der sie sich Synergien versprechen.

TEXT Martina Peter / BILDER: Empa

Wissens- und Technologietransfer // 25

Als glaTec-Mieter kommen Spin-offs des ETH-Bereichs, exter-ne Start-ups, ausgelagerte Forschungs- und Entwicklungseinhei-ten von Firmen sowie öffentlich-private Partnerschaften in Frage.Optotune ist ein Spin-off der ETH Zürich; gegenwärtig beherbergtdas glaTec drei Empa-Spin-offs, ein externes Start-up und einABB-Spin-off (siehe Auflistung unten). «Unser Fokus liegt ganzklar auf Frühphasenprojekten im Bereich der Materialwissen-schaften, Umweltwissenschaften und Technologie», so Jenni. Al-lerdings wird nicht jeder, der möchte, im Empa-Technologiezen-trum aufgenommen: Das Auswahlverfahren hat es in sich; die Pro-jekte werden vom glaTec-Beratungsausschuss streng evaluiert.Unternehmer, KTI-Start-up-Fachleute, Marketing-, Wirtschafts-,Rechts- und Finanzfachexperten prüfen die Anträge auf Herz undNieren, klopfen die Gesuche hinsichtlich ihres Innovationspoten-zials, der Marktrelevanz und der Umsetzbarkeit ab. Erst dann ent-scheidet die Direktion der Empa über die Aufnahme in ihren«Brutkasten».

Beratung, Unterstützung, Vermittlung Oft rekrutiert sich aus dem Beratungsausschuss gleich auch nochder passende Coach für die Anliegen der Jungfirmen, wenn der er-fahrene Unternehmer Mario Jenni nicht weiterhelfen kann. An-sonsten hat Jenni noch etliche Kontakte aus seinem Beziehungs-netz an der Hand oder steuert Tipps bei, wie und wo sich der rich-tige Experte für ein bestimmtes Problem finden lässt. Jenni arbei-tet auch eng mit anderen Jungunternehmen-Förderern zusam-men, beispielsweise der Kommission für Technologie und Inno-vation (KTI), dem Technologiezentrum der Empa in St.Gallen,tebo, oder dem ifj, dem Institut für Jungunternehmen.

Start-ups, die sich im Business-Inkubator einmieten, könnenbis zu drei Jahre bleiben. Sie profitieren in dieser Zeit vom vor-teilhaften Mietzins und der erstklassigen Infrastruktur der Empa.

Erfolg für glaTec

100 Expertinnen und Experten haben kürzlich im Auf-trag des Instituts für Jungunternehmen, ifj, in St. Gal-len Optotune zum besten Jungunternehmen des Jah-res gewählt. Insgesamt umfasst das Ranking 100 Fir-men aus der ganzen Schweiz. Auch die beiden gla-Tec-Firmen Qualysense (Platz 26) und Compliant Con-cept (Platz 73) haben es in die Top-100 geschafft.

Danach sollten die Firmen über genügend Eigen- oder Fremdka-pital verfügen, um sich anderswo niederzulassen – und Platz fürNeues zu machen.

Optotune ist dies gelungen. Wie geplant, zogen sie diesenSommer nach Dietikon ins Limmattal und sind nun dabei, die Pro-duktion ihrer Linsen hochzufahren, um für die Produkt-Neuein-führungen diverser Kunden bereit zu sein. Für die Starthilfe, diesie im glaTec erhalten hatten, sind die erfolgreichen Jungunter-nehmer dankbar. «Wir werden nie vergessen, was für freundlicheund hilfsbereite Menschen wir an der Empa kennen lernen durf-ten», so schrieben sie Mario Jenni.

Nach dem Wegzug von Optotune vom Empa-Areal sind aktu-ell fünf Firmen im Technologiezentrum eingemietet; drei davonsind Empa-Spin-offs:

– Compliant Concept GmbH entwickelt intelligente Bettsystememit dem Ziel das «Wundliegen» bettlägeriger Menschen zu ver-hindern.

– Decentlab GmbH bietet ein drahtloses Monitoringsystem zur fle-xiblen Überwachung von Bauwerken und Baustellen an.

– Monolitix AG entwickelt und vermarktet Komponenten und Sys-teme für den Maschinenbau, insbesondere Festkörpergelenke so-wie nachgiebige Mechanismen und Systeme.

– Qualysense AG, ein externer Start-up, bietet ein Verfahren, um Ge-treidelieferungen tonnenweise und doch hochpräzise nach bioche-mischen Qualitätsmerkmalen zu sortieren.

– Der ABB-Spin-off Micos Engineering GmbH ist spezialisiert auf op-tische Instrumentierungen für die europäische Raumfahrt. //

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http://tv.empa.ch/empa_tv_neuartige_linsen_20090402.m4vFür Smartphone-Benutzer: Bildcode scannen(etwa mit der App «Scanlife»)

Video:Künstliche Muskelnfür die Handy-Kamera

Eine Spezialmatratze von Compliant Concept im Labortest.

26 // Wissenschaft im Dialog

Neue Departementsleiterin

Anfang Dezember hat der ETH-Rat die Chemike-rin und Expertin für LuftschadstoffemissionenBrigitte Buchmann zum neuen Mitglied derEmpa-Direktion ernannt. Am 1. September 2012übernimmt sie die Leitung des Departements«Mobilität, Energie und Umwelt».

Brigitte Buchmann tritt als Departementsleite-rin die Nachfolge von Peter Hofer an, der Mitte2012 in Pension geht. Sie studierte Chemie an derUniversität Zürich und promovierte 1988 auf demGebiet der metallorganischen Chemie. Danachvertiefte sie ihre Kenntnisse in Kernresonanz-Spektroskopie als wissenschaftliche Assistentinam Institut für Anorganische Chemie der Univer-sität Zürich. 1989 trat Brigitte Buchmann in dieEmpa ein und leitete die Gruppe «Immissionen»in der Abteilung «Luftfremdstoffe». Mit viel Elanund Enthusiasmus übernahm sie als Projektleite-rin das Nationale Beobachtungsnetz für Luft-fremdstoffe (NABEL), das eine der Grundlagenfür die Schweizerische Luftreinhaltepolitik bil-det. Seit 1995 leitet sie zusätzlich das Weltkali-brierzentrum für Ozon im «Global AtmosphereWatch Programm» (GAW) der WMO (World Me-teorological Organisation.

2002 übernahm Frau Buchmann die Leitungder Abteilung «Luftfremdstoffe/Umwelttechnik»und setzte erstmals flächendeckend Satellitenda-ten zur Untersuchung der Luftqualität in derSchweiz ein. Als Mitglied der eidgenössischenKommission für Weltraumfragen sowie alsSchweizer ESA-Delegierte engagiert sie sich aufstrategischer Ebene für den Einsatz von Satellitenfür die Erdbeobachtung.

Der Blick ins InnereVor 20 Jahren – während des Weihnachtsessens, um genau zu sein– wurde der erste Computertomograph an die Empa geliefert. Heu-te ist die Empa im Bereich der industriellen Computertomographieeines der führenden Institute und betreibt vier Anlagen. Aberlängst nicht nur Industriebauteile finden ihren Weg unter die Rönt-genstrahlen …

Sondern zum Beispiel auch Käse. Wie sieht die Lochverteilungin einem Schweizer Käse aus? Das war eine der Aufgaben, die derEmpa bei einem Anwenderwettbewerb zugesandt wurden. Die in-teressantesten Anwendungen wurden ausgewählt und und von ih-nen je eine Computertomographie (CT) gratis gemacht. Auf denQuerschnitten des Käses ist genau ersichtlich, wie viele Löcher erhat, wie gross diese sind und wo sie sich befinden.

Auch ins Innere einer Toblerone, von Trompeten, Nashorn-schädeln und keltischen Goldringen haben die Empa-CT-Expertenschon geblickt. Allerdings sind diese «exotischen» Fälle dann docheher die Ausnahme. Neun von zehn Aufträgen kommen aus der In-dustrie, denn die ist auf die «zerstörungsfreie Prüfung» von Bau-teilen oder das dreidimensionale Vermessen angewiesen. Bei-spielsweise, wenn bei alten Bauteilen die Pläne nicht mehr vorhan-den sind, aber neue Teile nach dem alten Muster hergestellt wer-den müssen. Vom Originalbauteil wird ein Computertomogrammangefertigt, das zeigt, wie dieses aufgebaut ist.

Im Unterschied zu einem medizinischen Computertomogrammmüssen die industriellen sehr viel genauer sein. Dementspre-chend dauert es beim industriellen Tomographen auchlänger, bis alles durchleuchtet ist. Eine medizini-sche CT dauert gut 90 Sekunden und zeigtalles, was für die Ärzte wichtig ist.Eine industrielle CT kann jenach Anlage und Materialauch schon mal mehrereStunden dauern.

Die Empa arbeitet mit ei-nem der grössten Computerto-mographen Europas. Mit ihmlassen sich Aufnahmen von biszu zwei Tonnen schweren Bautei-len machen, etwa Motorenteile vonLastwagen. Nach unten ist die Skalaoffen: Einen 25 Mikrometer grossenFehler an einer millimeterkleinen Löt-stelle spürt der Empa-Tomograph jedenfallsproblemlos auf.

Alexander Flisch analysiert im Tomographen ein Fossil.

Wissenschaft im Dialog // 27

Vorhang auf: Design Preis Schweiz 2011

Annette Douglas hat für das KTI-Projekt «Schallabsorbierende, lichtdurch-lässige und leichte Textilien» den begehrten «Design Preis Schweiz 2011» inder Kategorie «Textile Design Award A» erhalten. Ausgezeichnet wurde siezusammen mit der Firma Weisbrod-Zürrer und den beiden Empa-MitarbeiterReto Pieren und Kurt Eggenschwiler, die die akustischen Grundlagen für denweltweit ersten schallabsorbierenden und lichtdurchlässigen Vorhang erar-beitet hatten.

Die beiden Experten der Abteilung «Akustik/Lärmminderung» entwickel-ten zunächst ein Rechenmodell, das sowohl die mikroskopische Struktur derGewebe als auch deren makroskopischen Aufbau abbildet. In Kombinationmit akustischen Messungen an gewobenen Proben optimierten sie das Ge-webe. Annette Douglas gelang es, die gesammelten Erkenntnisse webtech-nisch zu übersetzen. Weisbrod-Zürrer schliesslich passte die anspruchsvol-len Herstellungsprozesse so an, dass die Vorhänge industriell gefertigt wer-den können.

Die Jury lobte: Die Stoffe seien eine echte und wertvolle Innovation, die sichauf dem Markt bald durchsetzen dürfte. «Sie überzeugen durch eine zurückhal-tend schlichte Erscheinung, die nicht ohne Eleganz und Klasse ist, und eröffnenganz neue Möglichkeiten bei der Gestaltung von Innenräumen.»

Energie aus Klärschlamm

Aus Abfall Energie gewinnen – das istdas Thema von Silvan Weders Maturar-beit. Inspiriert von einem Artikel ausdem «Spektrum der Wissenschaft»,nahm er Kontakt mit der Empa auf. «DasZiel war, nur aus Abfallstoffen Energiezu gewinnen, damit die Energieproduk-tion nicht mit der von Lebensmittel kon-kurriert», sagt er. Zusammen mit demEmpa-Forscher Andreas Borgschultebaute er eine Versuchsanlage auf. In ei-nem luftdicht verschlossenen Gefässwird Bioabfall gelagert, zum BeispielPflanzenreste. Das Gefäss steht in einemkonstant auf 60 Grad Celsius gehaltenWasserbad. Vorgängig ist der Bioabfallmit Klärschlamm angeimpft, der speziel-le thermophile Bakterien enthält, diewährend der Gärung direkt Wasserstoffproduzieren. Das entstandene Gas kannanschliessend zum Beispiel in einerBrennstoffzelle zur elektrischen Energie-erzeugung verwendet werden.

Die Katastrophe in Fukushima habedie Diskussion über alternative Energienangekurbelt, sagt Silvan Weder, und«Die Einbettung des Themas in das aktu-elle und globale Geschehen fasziniertemich und war eine zusätzliche Motivati-on.» Weltweit wird schon länger darangeforscht, aus Energiepflanzen wie etwaMais Wasserstoff zu gewinnen. Der Bio-abfall wäre eine umweltfreundlichereund preiswertere Alternative.Ein Zylinderkopf im Röntgenblick des Empa-Computertomographen.

Veranstaltungen9. Januar 2012 Seltene Metalle für ZukunftstechnologienEmpa, Dübendorf

13. Januar 2012Faserverbundwerkstoffe im Automobilbauund TransportwesenEmpa, Dübendorf

19. Januar 2012 Feinstaub – Inhaltsstoffe und QuellenzuordnungEmpa, Dübendorf

25. Januar 2012 Nanotechnologie für den Cleantech-BereichStade de Suisse, Bern

5. März 2012Holzforschung an der EmpaEmpa, Dübendorf

7. März 2012Nanotechnologie – Neue Materialienmit Chancen und RisikenEmpa, Dübendorf

16. – 20. April 2012 Intensive course: Nanopowders andNanocompositesEmpa, Dübendorf

26./27. April 2012 3-Länder-KorrosionstagEmpa, Dübendorf

12./19./26. Juni 2012Fahrzeugflottenmanagement –ganzheitlich betrachtetEmpa, Dübendorf

Details und weitere Veranstaltungen unterwww.empa-akademie.ch

Ihr Zugang zur Empa:

Als Unternehmer habe ich

oft die Zusammenarbeit

mit der Empa gesucht;

dabei habe ich realisiert,

welche aussergewöhnlichen

Leistungen die Empa

erbringt. Sie ist für mich

das Herzstück im Wissens-

und Technologietransfer-

Netzwerk der Schweiz

und ein Schlüssel

zum Innovationserfolg.

Bundesrat Johann N. Schneider-AmmannVorsteher des EidgenössischenVolkswirtschaftsdepartements (EVD)“

Meinung

Johann N. Schneider-Ammann

[email protected] +41 58 765 44 44www.empa.ch/portal”

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EmpaNews Januar 2012