Einen kühlen Kopf bewahren

Titelbild: Cooling Singapore, Centre, ETH Zürich

Mit Projekten wie „Cooling Singapore“ entwickelt das Team um Gerhard Schmitt am Singapore-ETH Centre Konzepte für den urbanen Raum von morgen.

Das Gefühl, dass die die Hitze zur physischen Herausforderung wird, kennen wir im deutschsprachigen Raum eigentlich nur aus dem Hochsommer. Für die 5,6 Millionen Einwohner von Singapur aber gehört dieses Gefühl zum Alltag. Dort ist es im ganzen Jahr so heiß (die Temperatur liegt meistens zwischen 25 und 31 Grad Celsius), dass rund um die U-Bahn-Stationen im Stadtzentrum extra kilometerlange, klimatisierte Unterführungen gebaut wurden, um der Hitze auf dem Weg zur Arbeit, oder zum nächsten Einkaufszentrum nicht ausgesetzt zu sein. Nur: Die vorübergehende Erfrischung einer Klimaanlage kann dieses grundlegende Problem des Stadtstaats nicht lösen – da müssen andere Ideen her. Und eben solche Lösungsansätze entwickeln die Forscher des Singapore-ETH Centres for Global Enviromental Sustainability.

Das Centre ging 2010 aus der Zusammenarbeit der ETH Zürich mit der nationalen Forschungsstiftung von Singapur (NRF) hervor, um als intellektueller Hub für Forschung, Unternehmertum, Postgraduierten und Postdoktoranden zu dienen. Es ist das einzige Forschungszentrum der ETH außerhalb der Schweiz; und hat sich zum Ziel gesetzt, Forscher aus verschiedenen Disziplinen an einem Ort rapider Urbanisierung zusammen zu bringen, um sich den großen Fragen globaler städtischer und ökologischer Nachhaltigkeit zu widmen. Das Center hat seinen Sitz auf dem CREATE-Campus (Campus for Research Excellence and Technological Enterprise) und befindet sich somit inmitten guter Gesellschaft weiterer Forschungszentren der Cambridge University, oder dem MIT.

Untertitel: Modell für die Verbesserung des „outdoor thermal comforts“ (OTC) bei enger Anordnung von Gebäudekomplexen

Mit der Eröffnung des Centres vor rund neun Jahren startete auch das erste Programm: Im „Future Cities Laboratory“ (FCL) werden Technologien und Ansätze für eine nachhaltige urbane Zukunft entwickelt. Die Projekte sind verschiedenen Städte-Szenarien zugeordnet wie beispielsweise jenem der „Responsive Cities“ – Städtemodellen also, die Informationstechnologie zur Planung nutzen. Im Jahr 2014 folgte ein weiteres Programm namens „Future Resilient Systems“ (FRS), das sich mit den Herausforderungen der zunehmenden Vernetzung und Komplexität von Infrastruktursystemen befasst.

2010 begann man mit einem dreiköpfigen Team, mittlerweile sind es rund 200 Forscher aus verschiedenen Disziplinen und Kulturen, die Städte nachhaltiger, lebenswerter und belastbarer machen wollen. „In den letzten acht Jahren haben wir ein engagiertes und vor allem interdisziplinäres Team aufgebaut“, so Gerhard Schmitt, Direktor des Singapore-ETH Centres. „Denn die Herausforderungen sind viel zu vielfältig und viel zu komplex, als dass man sie in Silos angehen könnte. Architekten, Ingenieure, Informatiker und Sozialwissenschaftler müssen miteinander reden, um die realen Probleme unserer Welt lösen zu können – und genau so haben wir uns aufgestellt.“

Eines dieser Probleme, der Klimawandel, lässt sich besonders in Singapur in vielerlei Hinsicht  beobachten: „Wie alle tropischen und subtropischen Städte leidet auch Singapur an einer Kombination aus globalem Temperaturanstieg und lokalen Emissionen von Industrie, Verkehr und Gebäuden: dem sogenannten Urban Heat Island (UHI)-Effekt. In Singapur kann dieser bis zu sieben Grad Celsius  betragen – zusätzlich zu der Durchschnittstemperatur von mehr als 27 Grad Celsius.“ Dabei sollte man nicht vergessen: Singapur ist das Land mit der dritthöchsten Bevölkerungsdichte der Welt. Hier wohnen auf einem Quadratkilometer durchschnittlich rund acht Millionen Einwohner – zum Vergleich: In Österreich sind es nur 105. Ergeben sich somit ohnehin schon zahlreiche Fragen für die Stadtplanung, bekommen sie im Kontext des UHI-Effekts nur noch eine zusätzliche Dringlichkeit: Wie kann ich Gebäudekomplexe so anlegen, dass sie für Wind durchlässig bleiben? Oder: Wie müssen Straßen oder Fassaden gestaltet sein, damit sie keine Wärme speichern?

Bild: Eine Simulation des Urban Heat Island (UHI)-Effekts in Singapur

Im Rahmen des „Cooling Singapore“-Projekts, das innerhalb des FCL angesiedelt ist, sucht ein Forscherteam seit 2017 nach Antworten auf diese Fragen. Angelegt als interdisziplinäres Projekt, wird es von der National Research Foundation in Singapur finanziert und vereint Forscher der Singapore-MIT-Allianz für Forschung und Technologie (SMART), von TUMCREATE (gegründet von der Technischen Universität München) und der National University of Singapore (NUS). Das Ziel: Die Temperatur im Raum des Stadtstaats senken, aber nicht durch Klimaanlagen, sondern durch stete Reduzierung der Hitzequellen – beispielsweise mithilfe neuer urbaner Designs.

Dafür müssen zunächst Planungsgrundlagen geschaffen werden, um nicht unnötige Baukosten zu verursachen. Anhand von Sensoren, Datenanalysen und computergestützten Strömungssimulationen wurde die Wärmeverteilung verschiedener Oberflächen (beispielsweise von Häuserfassaden) analysiert. Die ersten Forschungsergebnisse zeigen unter anderem, dass die Verwendung hochreflektierender Materialien auf Dächern die Temperaturen um etwa 1,47 Grad Celsius senken kann, während sich grüne Fassaden nur in sehr nahe gelegenen Bereichen (< 2-4 m) auf den thermalen Komfort auswirken.

Die Analysen und Ableitungen wurden in einem Bericht zusammengestellt, in dem 86 Kennzahlen ihre Anwendbarkeit, ihre Integrierbarkeit in die Stadtplanung und ihren aktuellen Forschungsstand beschreiben. Ein weiterer Leitfaden stellt 24 Simulationstools vor, mit denen die Auswirkungen verschiedener Strategien zur Reduzierung des UHI-Effekts bewertet werden können. „Eine unserer ständigen Herausforderungen ist die Kommunikation unserer Forschung“, so Schmitt. „Für uns ist es wichtig, nicht nur gute Forschung zu betreiben, sondern auch das erworbene Wissen zu teilen. Aus diesem Grund bemühen wir uns sehr, Ergebnisse zu visualisieren, um ein breiteres Publikum für unsere Arbeit zu gewinnen.“

Porträt: Gerhard Schmitt, Cooling Singapore, ETH

Gerhard Schmitt
... ist Direktor des Singapore-ETH Centers und Professor für Informationsarchitektur an der ETH Zürich. Im Mittelpunkt seiner Forschung steht die Schaffung einer Simulations-, Visualisierungs- und Interaktionsplattform für das Future Cities Laboratory (FCL) in Singapur, dessen Schwerpunkt auf der Entwicklung von intelligenten Designunterstützungssystemen mithilfe von künstlicher Intelligenz liegt.

Hier kommt den Forschern zugute, dass Singapur dem Smart City-Konzept gegenüber schon immer aufgeschlossen war; mehr noch, der Stadtstaat berief im Jahr 2014 sogar einen „Smart Nation“-Minister, der für Strategie und Umsetzung verantwortlich ist. Auf Initiative des Centres konnte darüber hinaus eine „UHI-Task-Force“ eingerichtet werden, die sich aus Regierungsbehörden und akademischen Einrichtungen zusammensetzt. „Viele Faktoren tragen zum UHI-Effekt bei, daher ist es wichtig, dass Interessengruppen, die für Gebäude, Wohnen, Stadtentwicklung, Verkehr und Energie verantwortlich sind, eine Plattform für den Informationsaustausch haben.“

Und auch die Bevölkerung wird eingebunden. Anhand von Umfragen und Workshops sowie von Virtual Reality (VR) und anderen digitalen Tools konnten Einblicke gewonnen werden, wie die Bevölkerung Räume und Luftqualität wahrnimmt. So fanden die Forscher beispielsweise heraus, dass die Bewohner grüne Straßenlandschaften und Fassaden gegenüber kühlenden Bushaltestellen bevorzugen. „Sobald die Bürger Zusammenhänge zwischen wissenschaftlichen Entdeckungen und ihrem eigenen Lebensumfeld erkennen, können sie zur zukünftigen Entwicklung ihrer Stadt beitragen“, ist Schmitt überzeugt. Er und sein Team nennen das „Citizen Design Science“.

Bild: „Workshop“, Workshop der UHI-Task Force und der Forscher von Cooling Singapore

Zumal der Klimawandel nicht in Asien haltmacht. „Vor diesem Hintergrund müssen wir grundsätzlich auf ein klimafreundlicheres Design hinarbeiten. Genauer gesagt brauchen wir ‚urban climate design’ als integralen Bestandteil des urbanen Designs, um Wärme und Lärm zu reduzieren und die Luftqualität in Städten zu verbessern. Planer und Designer müssen lernen, wie sie die Wirkung von Baustoffen, Vegetation, urbaner Morphologie, oder Wasserkörpern optimieren können“, so Schmitt.

Für diese Agenda wird sich Professor Schmitt auch in Zukunft einsetzen wird – und das weltweit. Ab 2020, wenn die zweite Phase des Future Cities Laboratory beendet ist (die erste Phase lief von 2010-2015), soll eine neue Initiative namens „FCL Global“ starten. „Damit werden wir eine globale Perspektive auf zukünftige Städte einnehmen, die auf unseren Erfahrungen in Europa und Asien aufbauen. Die mehr als 200 FCL-Absolventen auf der ganzen Welt freuen sich bereits, ihre Erfahrungen und ihr Wissen in einem wahrhaft globalen Future Cities Laboratory zusammenzuführen.“ Bleibt also zu hoffen, dass uns die Hitze nicht zu Kopf steigt – und der Klimawandel auch an anderen Stellen als internationale Aufgabe begriffen wird.

Text: Clemens Gatzmaga

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