Empa-Forschende haben filigrane Schallabsorber aus mineralischen Schäumen entwickelt. Sie sind nicht nur deutlich dünner als herkömmliche Materialien, sondern lassen sich auch gezielt für unterschiedliche Frequenzbereiche designen. Erstmals getestet wurden sie bei einer Hofeinfahrt in Zürich.
Klassische Schallabsorber bestehen aus relativ voluminösen Materialien wie Steinwolle oder dem auf Kunstharz basierendem Melaminschaum. Um auch tiefe Schallfrequenzen wirksam zu dämpfen, sind bei solchen Werkstoffen dicke Dämmschichten notwendig – was Platz kostet und gestalterisch einschränkt. Außerdem sind die klassischen „Schallschlucker“ nicht wetterfest und daher im Außenbereich nur bedingt einsetzbar.
Mineralschaum aus Gips oder Zement
Als Alternative haben Schweizer Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt ( Empa ) nun ultradünne Schallabsorber aus Mineralschaum entwickelt, die sich einfach zuschneiden und montieren lassen. Hergestellt aus Gips oder Zement , sind sie nicht nur feuerfest und recycelbar, sondern setzen nach Empa-Angaben auch keine gesundheitsschädlichen Partikel frei. Und das Beste: Die mineralischen Absorber sollen – bei einem rund viermal dünneren Querschnitt – genauso wirksam sein wie herkömmliche Produkte.
Die Empa-Abteilung Akustik/Lärmminderung hat die Innovation zusammen mit der Materialmanufaktur de Cavis aus Dübendorf (Schweiz) entwickelt, die für Kunden aus verschiedenen Industriesektoren (Medizinaltechnik, Energie, Bau, Recycling) neuartige Werkstoffe entwickelt. Dabei setzt de Cavis meist auf seine patentierte Schäumungstechnologie zur Herstellung hochporöser mineralischer Werkstoffe mit Luftgehalten zwischen 50 und 95 Volumen-Prozent.
Aktuell ist die Fertigung der Mineralschaum-Absorber noch aufwändig und erfolgt zum Teil von Hand. Gemeinsam mit einem geeigneten Industriepartner soll das Material nun weiterentwickelt und in größerem Maßstab produziert werden. Vor allem für Spezialanwendungen, bei denen begrenzter Platzbedarf, Brandschutz und Designanspruch gleichzeitig berücksichtigt werden müssen, sehen die Forschenden ein Potenzial für das Produkt.
Labyrinth für Schallwellen
Ein weiterer Vorteil des neuen Materials ist, dass es sich auf unterschiedliche Weise herstellen und dabei gezielt auf bestimmte Frequenzbereiche abstimmen lässt. In der Regel bauen die Forschenden die Schallabsorber aus mehreren porösen Schichten auf. Dabei variieren sie nicht nur die Dicke der einzelnen Schichten und die Größe der Poren, sondern versehen sie zusätzlich noch mit kleinsten Löchern. Es ist diese feine Perforierung, die derzeit noch von Hand geschieht.
Mithilfe einer akustischen Modellierung bildeten die Forschenden nach, wie auf kleinster Ebene die Luft durch die Poren der Mineralschäume strömt. „So lässt sich das akustische Verhalten des gesamten Materials simulieren – und durch Variation von Porengröße, Perforation und Schichtaufbau gezielt beeinflussen“, erläutert Empa-Forscher Bart Van Damme.
Dank der Modellierung lässt sich der Absorber nun flexibel maßanfertigen: Soll er besonders tiefe Töne dämpfen wie etwa in großen Sälen? Oder eher im Mitteltonbereich wirken wie zum Beispiel bei Verkehrslärm, in Büros oder Klassenzimmern? All das ist möglich, indem man Porenstruktur und Schichtaufbau entsprechend variiert.
Die hohe Schallabsorption trotz geringer Materialdicke erläutert Bart Van Damme: „Die variierende Porenstruktur der mineralischen Schäume zwingt die Luftpartikel auf einen längeren Weg, um ins Material und wieder hinauszugelangen. Trotz geringer Dicke entsteht so für die Schallwellen der Eindruck eines viel dickeren Absorbers.“ Entscheidend dafür sind möglichst große Poren mit möglichst dünnen Porenwänden.
Prädestiniert für Spezialanwendungen
Die mineralischen Schallabsorber könnten künftig beispielsweise an Fassaden, unter Balkonen oder auch in Hausdurchfahrten an lärmbelasteten Straßen nachträglich montiert werden. Darüber hinaus lassen sich die Elemente gut in Treppenhäusern oder in großen Innenräumen wie Büros, Kantinen oder Sporthallen integrieren. Der Einsatz könnte künftig auch aus gestalterischer Sicht erfolgen, da der poröse Mineralschaum eine ähnliche Materialstruktur wie viele Wandoberflächen aufweist.
„Idealerweise werden die Absorber bei Neubauten bereits im architektonischen Entwurf berücksichtigt“, sagt Empa-Experte Van Damme. Voraussetzung für die Anwendung im Außenbereich ist – wie bei allen offenporigen Absorbern – ein Schutz vor Witterung und Verschmutzung, etwa durch eine perforierte Deckschicht.
Erfolgreicher Praxistest
Einen ersten Prototyp der Absorber testeten die Forschenden auf einer 12 m2 großen Fläche in einer Züricher Hofdurchfahrt. Die optimale Anordnung der dort eingesetzten 72 Paneele ermittelten sie vorab per Simulation. Verkehrslärm bewegt sich typischerweise im Bereich zwischen 500 und 1.000 Hertz. Modellberechnungen zeigen, dass für diesen Frequenzbereich vier abgestimmte Schichten aus feinporigem Mineralschaum mit einer Gesamtdicke von rund 5,5 cm als Dämmmaterial ausreichen.
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Kontrollierte Messungen vor Ort bestätigten die Prognosen: Der Lärmpegel sank dank der Paneele um bis zu 4 Dezibel. Besonders deutlich war die Wirkung bei vorbeifahrenden Autos, die sich der Einfahrt näherten oder von ihr entfernten, da der Schall auf dem Weg in den Innenhof mehrfach an den Paneelen reflektiert wird. Im Vergleich mit herkömmlicher Steinwolle zeigte sich: Die neuen Absorber sind bei tiefen Frequenzen zuverlässiger, und bei höheren sind sie nur etwas weniger effizient.
