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Bewältigung der Klimakrise : Technik für eine kühlere Welt

Einen Ausweg könnten sogenannte kalorische Feststoffe bieten, die Xavier Moya und Neil Mathur von der University of Cambridge in der aktuellen Ausgabe von „Science“ beschreiben. Dabei handelt es sich um Materialien, die sich rasch erhitzen, wenn man sie einem Magnetfeld, einer elektrischen Spannung oder mechanischem Druck aussetzt. Das Verhalten hängt mit der inneren Ordnung der Feststoffe zusammen. Ohne äußere Stimuli kehren sie in den ungeordneten Normalzustand zurück und kühlen ab. Kalorische Materialien lassen sich als Kühlmittel für Klimaanlagen und Kühlschränke verwenden, wenn man die Wärme immer wieder abführt, etwa durch fließendes Wasser.

Dank dieses elektrokalorischen Kunststoffs lässt sich ein überhitzter Akku effizient kühlen.
Dank dieses elektrokalorischen Kunststoffs lässt sich ein überhitzter Akku effizient kühlen. : Bild: UCLA Engineering

Am weitesten verbreitet sind die magnetokalorischen Systeme. Berechnungen zeigen, dass ein magnetischer Kühlschrank eineinhalbmal so effektiv arbeiten würde wie die besten herkömmlichen Kühlgeräte. Viele der existierenden Prototypen verwenden Gadolinium als magnetisches Kühlmittel. Der Grund: Das Material hat eine angenehme Arbeitstemperatur von 19 Grad, weshalb man durch effizientes Kühlen Minusgrade schnell erreichen kann.

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Intensiv erforscht werden derzeit die elektrokalorischen Werkstoffe, da zum Kühlen nur eine Wechselspannung erforderlich ist. Ein elektrokalorisches Kühlsystem kommt deshalb ohne bewegliche Teile aus, ist leichter und günstiger in der Herstellung. In Frage kommen Metalllegierungen, Keramiken, aber auch Kunststoffe. Allerdings zeigten diese Verbindungen eine geringere Kühlwirkung als ihre magnetischen Pendants. Zudem arbeiteten viele erst bei hohen Temperaturen und starken elektrischen Feldern optimal – ein Hindernis für Kühlschränke und Klimaanlagen. Doch es gibt Hoffnung. So hat jüngst eine Gruppe Luxemburger Materialforscher bei einem Stapel von knapp ein Millimeter dünnen und sechs Zentimeter langen Plättchen eines keramischen Metalloxids eine Kühlwirkung von bis zu dreizehn Kelvin erzielt, bei einer Arbeitstemperatur von 30 Grad. Die Forscher glauben, mit technischen Verbesserungen die Kühlwirkung auf über 30 Kelvin steigern zu können. Dann kämen elektrokalorische Kühlsysteme in den Bereich magnetokalorischer und konventioneller Kühlmittel.

Eine potentielle Nischenanwendung haben Wissenschaftler von der University of California in Los Angeles kürzlich aufgetan: die Kühlung von hitzeempfindlichen elektronischen Bauteilen und Akkus. Qibing Pei und seinen Kollegen gelang es, mit einem elastischen elektrokalorischen Polymer eine fünfzig Grad heiße Batteriezelle innerhalb weniger Sekunden um acht Grad auf 42 Grad abzukühlen. Dabei war nur eine Wechselspannung von 50 Volt erforderlich. Könnte man das Verfahren auf die Computerchips und Datenspeicher der großen Rechnenzentren anwenden, ließe sich möglicherweise der Anteil am Energieverbrauch stark reduzieren, den allein die Kühlung verschlingt. Entscheidend ist bei allen Maßnahmen und Technologien, dass sie ohne klimaschädliche Emissionen auskommen und den Klimawandel nicht weiter befeuern.

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