Das Fraunhofer ISE entwickelte ein funktransparentes Isolierglas. Mit ihm verbessert sich dank eines kaum sichtbaren Musters der Mobilfunkempfang im Gebäude ohne Verlust bei Wärmedämmung und Sonnenschutz.
Gut gedämmte Fenster haben oft den Preis eines schlechten Mobilfunkempfangs in Innenräumen. Doch wer mit dem Smartphone telefoniert, könnte sich den Satz "Moment, ich gehe mal näher ans Fenster" in Zukunft sparen.
Denn Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben eine Lösung entwickelt, die den Mobilfunkempfang im Gebäude sowie die Geschwindigkeit beim Hoch- und Herunterladen von Daten deutlich verbessert und dabei die Wärmedämmung und den Sonnenschutz eines Isolierglases dennoch nur geringfügig herabsetzt.
Funkwellen kommen nicht durch
Grund für schlechten Mobilfunkempfang in Gebäuden sind oft doppelt- oder dreifachisolierte Glasfenster. Isolierglas verfügt heutzutage standardmäßig über eine Low-Emissivity-Schicht (Low-E). Das ist eine sehr dünne durchsichtige Metallbeschichtung, die für niedrige Wärmeabstrahlung sorgt.
Durch die Low-E-Schicht reflektieren Fenster aber nicht nur Wärme zurück in den Raum, sondern auch Funkwellen. "Ein Glas mit Standard-Low-E wirkt wie ein Spiegel. Es wirft 98 Prozent der Wärmestrahlung zurück und lässt nur 0,1 Prozent der Funkwellen durchkommen", erklärt Thomas Kroyer, Leiter der Gruppe Beschichtungsverfahren und -systeme am ISE in Freiburg.
Das Gebäude wirke somit wie ein Faradayscher Käfig, der Mobilfunksignale kaum nach außen dringen lässt, sondern sie im Raum hin und her reflektiert. Besonders betroffen sei der Frequenzbereich 0,5 bis 3,7 GHz, der für gängige Mobilfunkstandards, Wlan und Navigationssysteme relevant ist. Das Ergebnis ist schlechter Mobilfunkempfang im Gebäude. "Bei einer konventionellen Dreifachverglasung funktioniert bei unserer Testfassade eine 5G-Verbindung sogar gar nicht mehr."
Und es gibt noch weitere Nachteile. Endgeräte reagieren auf diese Bedingungen und steigern ihre Sendeleistung. Das führt zum einen dazu, dass sich ihre Batterien schneller entladen und zum anderen zu mehr Elektrosmog und zu stärkeren elektromagnetischen Feldern innerhalb der Räume.
Bislang sollen oftmals Repeater, also Verstärker für den Mobilfunk, den schlechten Empfang in einem Gebäude verbessern. "Das funktioniert natürlich, aber die hohen elektromagnetischen Felder und der Faraday-Effekt bleiben bestehen. Außerdem sind Repeater Elektronikkomponenten, die über die Jahre immer wieder ersetzt werden müssen", erläutert Kroyer.
Raster macht den Weg frei
Die Innovation des ISE löst dieses Problem, indem ein Raster aus schmalen Linien in die Low-E-Schicht eingebracht wird. Die Low-E-Schicht wirkt für langwellige Wärmestrahlung immer noch wie ein Spiegel, für die noch längeren Funkwellen wird sie aber transparent. Das bedeutet, die Funkwellen finden im Raster kleine "Schlupflöcher" und damit ihren Weg nach draußen.
Die Herausforderung für die Wissenschaftler war, die Wärmedämmung und den Sonnenschutz der Isolierfenster trotzdem aufrechtzuerhalten. "Durch eine Segmentierung ist das Isolierglas nun zwar durchlässig für Funkwellen, dämmt aber gleichzeitig immer noch gut", sagt der Fraunhofer-Experte.
Die Segmentierung mittels Laser- oder Lift-off-Verfahren kann in verschiedenen Mustern erfolgen. "Das Muster hat fast keinen Einfluss auf den U-Wert", sagt Kroyer. Nach den Forschungsergebnissen des ISE erhöht sich der U-Wert, der Wärmedurchgangskoeffizient, für segmentiertes Low-E nur leicht um weniger als 0,1W/(m2K). "Das ist akzeptabel."
Der optische Eindruck und die Lichtdurchlässigkeit hat bei der Entwicklung ebenfalls eine Rolle gespielt. "Je nach Muster kann es eine gewissen Lichtstreuung geben", sagt Thomas Kroyer. In der Praxis ist das Raster – beispielsweise ein Gittermuster – nur bei sehr genauer Betrachtung des Fensterglases überhaupt erkennbar.
Ausstattung eines Teilbereichs ausreichend
Um diese Ergebnisse zu erzielen, müssen längst nicht alle Fenster oder gar eine ganze Glasfassade mit funktransparentem Isolierglas ersetzt werden. "Es genügt ein Teilbereich, beispielsweise ein Oberlicht oder ein Teil der Brüstung, für ein sehr gutes Ergebnis, das auch über den gesetzlichen Mindestanforderungen liegt." Nach § 3 TK-Mindestversorgungsverordnung muss die Bandbreite sowohl im Download als auch im Upload mindestens 64,0 Kilobit pro Sekunde betragen. Nach Messungen des Fraunhofer-Teams steigt beispielsweise die Downloadrate bei einem Dreifach-Isolierglas um den Faktor 60.
Das funktransparente Isolierglas haben die Partner des ISE, Arnold Glas und Isophon Glas, bereits auf den Markt gebracht. Es lässt sich auf allen gängigen Wärme- und Sonnenschutzverglasungen für Zweifach- oder Dreifachisolierglas anwenden, so Kroyer. Auch bei der Bahn kommt funktransparentes Isolierglas schon zum Einsatz, zum Beispiel in Regionalzügen oder flächendeckend bei der nächsten ICE-Generation.
Auch wenn die Anfangskosten für funktransparentes Isolierglas höher liegen: Im Gegensatz zu einem Repeater, der gewartet und auch irgendwann einmal ersetzt werden muss, "funktioniert unsere Lösung so lange das Gebäude steht." Und schlussendlich räumt der Wissenschaftler auch noch mit dem Impuls auf, bei schlechtem Mobilfunkempfang nahe ans Fenster gehen zu wollen: "Das bringt eigentlich wenig." Für wirklich besseren Empfang müsste man in diesen Fällen das Fenster öffnen oder ins Freie hinausgehen.