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Bewältigung der Klimakrise : Technik für eine kühlere Welt

Auch die Datensammler von Google benötigen für ihre Rechen- und Datenspeicherzentren immer größere Kühlanlagen wie hier in Oklahoma. Bild: Imago

Der Klimawandel wird unser Leben verändern. Mit innovativen Konzepten, neuen Materialien sowie effizienten und schonenden Kühltechniken wollen Forscher den Herausforderungen begegnen.

          6 Min.

          Steigende Temperaturen und gehäufte Hitzewellen mit immer neuen Rekordwerten, begleitet von länger anhaltenden Dürreperioden – unter den Extremen des Klimawandels leidet nicht nur die Natur, sondern auch immer stärker der Mensch. Gefragt sind neben den Maßnahmen zur drastischen Reduktion der Emission klimaschädlicher Gase und dem Umbau des Energiesystems auch effiziente und umweltschonende Verfahren, neuartige Materialien und innovative Konzepte, um den Herausforderungen des Klimawandels wirksam und nachhaltig begegnen und entgegenwirken zu können.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Energiesparende Klimaanlagen und Kühlschränke zählen ebenso dazu wie neuartige Textilien, die uns an heißen Sommertagen kühlen und vor Überhitzung schützen, sowie Ansätze, die einen Teil der Wärme von der Erde in den Weltraum zurückstrahlen, um so die irdischen Temperaturen möglichst konstant zu halten. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Science“ präsentieren Wissenschaftler vielversprechende Ansätze, die für eine „kühlere Welt“ sorgen könnten.

          Der Physik-Nobelpreisträger und Energieminister unter Obama Steven Chu wurde noch milde belächelt, als er vor einigen Jahren forderte, alle Dächer weiß zu streichen, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Denn weiße Flächen reflektieren bekanntlich die Sonnenenergie, die von dunkleren Flächen absorbiert wird und für eine Erwärmung sorgt, zum Teil zurück ins All. Inzwischen nimmt man Chus Idee ernst, und zahlreiche Forscher arbeiten an solchen Oberflächen. Dabei nutzt man das Phänomen der „passiven Strahlungskühlung“. Hierbei wird der sichtbare Bereich des Sonnenlichts fast vollständig reflektiert, Wärme hingegen absorbiert und als Infrarotstrahlung wieder in das Weltall abgegeben. Dadurch bleibt eine mit einem entsprechenden Material verkleidete Oberfläche kühl.

          Kühlende Polymer-Beschichtung: Deutlich niedriger als die Umgebungstemperatur ist die Temperatur dieser Oberfläche, die durch eine Wärmebildkamera blau erscheint.
          Kühlende Polymer-Beschichtung: Deutlich niedriger als die Umgebungstemperatur ist die Temperatur dieser Oberfläche, die durch eine Wärmebildkamera blau erscheint. : Bild: Jyotirmoy Mandal, Columbia University

          Wie ein solches Material aussehen kann, haben Forscher um Xiaobo Yin von der University of Colorado in Boulder gezeigt. Sie haben eine Folie aus einer dünnen transparenten Polymerschicht gefertigt, die sie mit mikroskopisch kleinen Glaskügelchen versahen. Eine auf der Rückseite aufgebrachte Silberschicht wirft das einfallende Sonnenlicht fast vollständig zurück. Infrarotstrahlung im spektralen Bereich von vier bis acht Mikrometer, für die die Erdatmosphäre durchlässig ist, wird emittiert. Das Material sei günstig herzustellen. Eine zehn bis zwanzig Quadratmeter große Folie auf einem Dach könne im Sommer ein Einfamilienhaus kühlen. Bei 37 Grad Außentemperatur herrschten im Inneren des Gebäudes angenehme 20 Grad, wie Berechnungen zeigen. Eine Klimaanlage würde dadurch überflüssig.

          Textilien mit Kühlwirkung

          Andere Ansätze beruhen auf porösen Kunststoffbeschichtungen, die sich wie weiße Anstrichfarbe auf Metalle oder Holz großflächig auftragen lassen, oder auf von innen verspiegelte Vorrichtungen, die man auf Dächer oder große freie Flächen installieren kann. In Frage kämen für diese Maßnahmen vor allem asiatische Länder und die Vereinigten Staaten, so schreiben Xiaobo Yin und seine Kollegen. Denn dort gebe es viele Regionen, in denen die Luftfeuchtigkeit nicht zu hoch und der Himmel oft klar sei. Nur dann kann die Infrarotstrahlung ungehindert entweichen. Ob man damit die durch den Klimawandel verursachte Erderwärmung abmildern kann, wie es Chu vorschwebt, ist allerdings fraglich.

          Was auf den ersten Blick wie ein Handtuch aussieht, ist ein neuartiger Stoff mit einer klimatisierenden Wirkung.
          Was auf den ersten Blick wie ein Handtuch aussieht, ist ein neuartiger Stoff mit einer klimatisierenden Wirkung. : Bild: University of Maryland

          Bei zunehmender Klimaerwärmung wird uns Menschen die natürliche Körperkühlung nicht mehr vor einer Überhitzung und vor dem Hitzekollaps bewahren können. Um die steigenden Temperaturen dennoch besser aushalten zu können, sind auch neue Ansätze bei der Kleidung gefragt. Textilien, die normalerweise den Körper wärmen, sollen nun kühlen. Die Entwickler solcher Fasern setzen bei der Wärme an, die der menschliche Körper bei der Verstoffwechselung abstrahlt. Im Schnitt sind das rund 40 bis 60 Watt pro Quadratmeter bei einer leichten Tätigkeit. Etwa 60 Prozent davon werden von der Haut in Form von Infrarotstrahlung emittiert. Die Kleidung, die wir tragen, absorbiert diese Wärmestrahlung üblicherweise und wärmt uns deshalb. Damit Textilien kühlen, müssen sie diese langwellige Strahlung also durchlassen.

          Eine Lösung für kühlere Kleidung haben Wissenschaftler um Lili Cai von der University of Illinois auf Basis von Polyethylen entwickelt. Sie haben herausgefunden, dass die Kunststoff-Fasern die Haut an heißen Tagen um bis zu zwei Grad relativ zur Umgebungstemperatur kühlen können, wenn man sie mit 50 Nanometer großen Poren versieht. Der Kühleffekt lässt sich durch lichtabsorbierende Nanoteilchen erhöhen, die man in das Gewebe einarbeitet. Ein weiterer Vorteil: Die Fasern erhalten dadurch ein farbiges Aussehen, was bei der Herstellung von Hemden und Hosen kein unerheblicher Faktor ist.

          Einen anderen Ansatz verfolgen Forscher von der University of Maryland. Sie haben eine Faser entwickelt, die auf Schweiß reagiert. Durch die Feuchtigkeit bilden sich Poren im Stoff, durch die Feuchtigkeit und Körperwärme nach außen treten können. Verstärkt wird der Effekt durch umhüllende Nanoröhrchen. Sie regeln das Absorptionsverhalten gegenüber der Infrarotstrahlung des Körpers. Im kühlenden Zustand können bis zu 40 Prozent mehr Wärme passieren als im Normalzustand, so die Forscher.

          Die Hoffnung hinter solchen Kühltextilien ist ähnlich wie bei den strahlungskühlenden Beschichtungen, nämlich dass man in den heißen Sommermonaten zum Kühlen geschlossener Räume weniger Energie für Klimaanlagen und Ventilatoren benötigt. Schätzungen sagen bei einem Kühleffekt von wenigen Grad ein Energieeinsparpotential von bis zu 20 Prozent voraus.

          Umweltschonende Kühlmittel für Kühlschränke

          Auch wenn es eines Tages effizient kühlende Kleidung zum Anziehen geben sollte, auf Klimaanlagen wird man nicht verzichten können. In vielen Ländern Asiens und in den Vereinigten Staaten sorgen Klimaanlagen bereits für angenehm kühle Räume. Und die Nachfrage steigt, vor allem in den aufstrebenden Schwellenländern. Das bedeutet aber auch, dass der Stromverbrauch wachsen wird. Schon jetzt konsumieren nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) die existierenden Anlagen rund zehn Prozent des global produzierten Stroms. Und bis 2050 könnte sich der Energiebedarf verdreifachen.

          Dadurch ergibt sich ein weiteres Problem, und zwar das der Kältemittel. Der überwiegende Teil gilt als klimaschädlich. Daran hat sich auch nach dem Verbot der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) aufgrund ihrer ozonschädigenden Wirkung nichts geändert. Die Nachfolger, chlorfreie, fluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW), bewirken einen weitaus höheren Treibhauseffekt als Kohlendioxid, wenn sie in die Atmosphäre entweichen, etwa durch Geräteschäden oder unsachgemäße Wartung. Deshalb suchen viele Wissenschaftler und Ingenieure schon seit langem nach sparsamen und umweltfreundlichen Lösungen.

          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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