Materialwissenschaft: Wie dreckige Klimaanlagen sauber werden könnten

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Die Experimente, die Forscher an der Polytechnic University of Catalonia und der University of Cambridge vor einigen Jahren vornahmen, waren ganz einfach. Aber sie könnten sich als enorm bedeutsam für künstliche Kälte und Kühlung erweisen.

Die Forscher platzierten Plastikkristalle aus Neopentylglykol – eine verbreitete Chemikalie zur Produktion von Farben und Schmierstoffen – in eine Kammer, fügten Öl hinzu und schoben einen Kolben hinein. Durch die Komprimierung der Flüssigkeit stieg die Temperatur der Kristalle um rund 40 Grad.

40 Grad in einem Schritt

Das war die stärkste Temperatur-Erhöhung, die jemals erreicht wurde, indem man ein Material unter Druck setzte. Das gilt jedenfalls für den Zeitpunkt, als diese Ergebnisse im vergangenen Jahr in Nature Communications veröffentlicht wurden. Und wenn der Druck verringert wird, hat das den gegenteiligen Effekt – die Kristalle kühlen drastisch ab.

Laut dem Forschungsteam zeigen die Ergebnisse einen viel versprechenden Ansatz für die Ablösung von traditionellen Kältemitteln; potenziell könne er eine „umweltfreundliche Kühlung ohne Leistungseinbußen“ ermöglichen. Solche Fortschritte sind ausgesprochen wichtig, denn ohne bedeutende technische Verbesserungen könnte sich der Energiebedarf für die Kühlung von Innenräumen laut der Internationalen Energieagentur bis 2050 verdreifachen, weil weltweiter Wohlstand, Bevölkerungszahlen und Temperaturen zunehmen.

Die Temperaturveränderung in den Materialien war vergleichbar mit der bei Flurkohlenwasserstoffen, wie sie für die Kühlung in normalen Klimaanlagen und Kühlschränken genutzt werden. Doch diese sind zugleich starke Treibhausgase.

Magnetische Kühlschränke

Die Arbeit an Alternativen basiert auf einem seit langem bekanntem Phänomen, das Sie kennen dürften, wenn sie schon einmal einen Ballon in die Länge gezogen und Ihre Lippen damit berührt haben: So genannte kalorische Materialien geben Wärme ab, wenn sie unter Druck gesetzt oder anders belastet werden. Bei manchen lässt sich dieser Effekt auch mit magnetischen oder elektrischen Feldern erreichen oder mit einer Kombination daraus.

Auf Grundlage dieser Prinzipien versuchen sich Wissenschaftler seit Jahrzehnten an der Entwicklung von magnetischen Kühlschränken, aber bislang waren dafür meist große, starke und teure Magnete erforderlich. Doch laut einer Übersichtsstudie in Science von Anfang November gibt es auf diesem Gebiet erhebliche Fortschritte. Geschrieben wurde sie von Xavier Moya und N.D. Mathur, Materialwissenschaftler an der University of Cambridge, die auch an den oben beschriebenen Experimenten beteiligt waren.

So kennen Forscher inzwischen zahlreiche kalorische Materialien mit starken Temperaturveränderungen und setzen sie in Prototypen für Heiz- und Kühlgeräte ein, heißt es in der Studie. System auf der Grundlage von Elektrizität, Dehnung oder Druck werden erst seit etwas mehr als einem Jahrzehnt intensiver erforscht. Doch bei der Leistung reichen sie schon an magnetische Geräte heran, an denen bereits viel länger gearbeitet wird.

Latente Wärme freisetzen

Zudem könnte die Technologie nicht nur den Bedarf an Flurkohlenwasserstoffen verringern, sondern auch energieeffizienter werden als normale Kühlgeräte. Ein entscheidender Unterschied dabei ist, dass die Materialen in einem festen Zustand bleiben, während traditionelle Kühlmittel wie Flurkohlenwasserstoffe zwischen der Gas- und der flüssigen Phase wechseln.

Unter bestimmten Kräften kommt es bei vielen Materialien zu kleinen Temperaturveränderungen. Forscher aber suchen Stoffe, bei denen dieser Effekt besonders ausgeprägt ist, im Idealfall mit so wenig Energieeinsatz wie möglich. Unter anderem bestimmte Metalllegierungen lieferten bei Dehnung vielversprechende Ergebnisse. Manche Keramik- und Polymerstoffe reagieren stark auf elektrische Felder, und anorganische Salze sowie Gummi zeigen Potential bei Druck.

Die auf die Materialien einwirkenden Kräfte oder Felder sorgen dafür, dass die Atome oder Moleküle darin in eine festere Ordnung gebracht werden. Das entspricht einem Phasenwechsel ähnlich dem, wenn flüssige Wassermoleküle zu festen Eiskristallen werden. Doch die kalorischen Materialen bleiben trotzdem im festen Zustand, der lediglich starrer wird. Bei diesem Prozess wird latente Wärme freigesetzt, die dem Energie-Unterschied zwischen den beiden Zuständen entspricht. Und wenn die Materialien beim Wegnehmen der Kräfte in ihren Ausgangszustand zurückkehren, kommt es zu einem Temperaturrückgang, der zur Kühlung genutzt werden kann.

Auf dem Weg zur Kommerzialisierung

Das unterscheidet sich nicht grundlegend von der Art und Weise, wie heutige Kühlgeräte funktionieren: Sie dekomprimieren Flurkohlenwasserstoffe, bis sie von einer Flüssigkeit zu einem Gas werden. Aber der Ansatz mit Kühlung nur im festen Zustand kann deutlich energieeffizienter sein. Einer der Gründe dafür ist, dass man die Moleküle nicht annähernd so stark bewegen muss, um den Phasenwechsel zu erreichen, sagt Jun Cui, leitender Wissenschaftler am Ames Laboratory.

Entscheidend für die Entwicklung konkurrenzfähiger kommerzieller Geräte sind Materialien, die starke Temperaturveränderungen durchmachen, leicht in ihren Ausgangszustand zurückkehren, mehrere dieser Zyklen überstehen, ohne kaputt zu gehen (kommerzielle Kühlgeräte laufen zum Teil Millionen Zyklen) und nicht teuer sind. Manche Materialen und Anwendungen kommen allmählich auf den Markt, sagt Ichiro Takeuchi, Materialwissenschaftler an der University of Maryland. Schon vor einem Jahrzehnt hat er das Unternehmen Maryland Energy & Sensor Technology gegründe,t um Kühlgeräte mit Materialien zu produzieren, die auf Dehnung reagieren.

Seine Forschungsgruppe hat einen Prototypen entwickelt, der Röhren aus Nickel-Titan komprimiert und wieder entlastet, um Wärme oder Kälte zu erzeugen. Durch die Röhren fließendes Wasser absorbiert in der ersten Phase Hitze und gibt sie ab, anschließend läuft der Prozess anders herum, um kaltes Wasser für die Kühlung von Containern oder Wohnräumen zu gewinnen. Als erstes Produkt will das Unternehmen einen Weinkühler anbiete, weil er weniger Leistung braucht als ein großer Kühlschrank oder eine Klimaanlage. Dazu wird ein nicht genanntes Material verwendet, das relativ billig sein soll.

Prototypen für eine Wärmepumpe

Der Materialwissenschaftler Moya, einer der Autoren des Science-Aufsatzes, war vor eineinhalb Jahren ebenfalls an der Gründung eines Start-Ups beteiligt: Barocal mit Sitz im britischen Cambridge hat einen Prototypen für eine Wärmepumpe entwickelt. Sie verwendet Plastikkristalle, die „mit Neopentylglycol verwandt sind, aber besser“, erklärt er dazu.

Insgesamt wurden bislang ungefähr ein Dutzend Start-Ups gegründet, um die Technologie zu kommerzialisieren. Auch mehrere etablierte Unternehmen, darunter der chinesische Haustechnikriese Haier und die Astronautics Corporation of America, haben sich mit ihrem Potenzial beschäftigt.

Cui rechnet damit, dass die ersten fertigen Produkte auf der Grundlage von Materialien, die als Reaktion auf Kräfte die Temperatur verändern, in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf den Markt kommen werden. Bis sie preislich mit konventionellen Kühl- und Klimageräten konkurrieren können, werde es aber wohl noch einige Jahre länger dauern.

(sma)