Strategien zur Kühlung fester oder flüssiger Stoffe beruhen häufig auf kalorischen Effekten, bei denen die Materialien eine Art Phasenwechsel durchlaufen. Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley, haben herausgefunden, dass Ionen in einer Lösung verwendet werden können, um das Schmelzen und die Kristallisation eines Materials zu steuern, wodurch ein so genannter ionokalorischer Kreislauf entsteht.
Bei der ionokalorischen Kühlung besteht keine Gefahr mehr, dass Treibhausgase in die Atmosphäre entweichen, da sie durch feste und flüssige Bestandteile ersetzt werden. Bildnachweis: Jenny Nuss / Berkeley Lab.
Die Suche nach einer Lösung, die die derzeitigen schädlichen Kältemittel ersetzt, ist für die Länder von entscheidender Bedeutung, wenn sie ihre Klimaziele, wie sie im Kigali-Amendment festgelegt sind, erreichen wollen.
Das Abkommen verpflichtet die Unterzeichnerstaaten, die Produktion und den Verbrauch von teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW) in den nächsten 25 Jahren um mindestens 80 % zu reduzieren.
HFKW sind starke Treibhausgase, die häufig in Kühlschränken und Klimaanlagen vorkommen und die Wärme tausendmal effektiver als Kohlendioxid speichern können.
“Die Kältemittellandschaft ist ein ungelöstes Problem: Niemand hat erfolgreich eine alternative Lösung entwickelt, die Kälte erzeugt, effizient arbeitet, sicher ist und die Umwelt nicht belastet”, sagt Drew Lilley, Doktorand an der University of California, Berkeley und dem Lawrence Berkeley National Laboratory.
“Wir glauben, dass der ionokalorische Zyklus das Potenzial hat, all diese Ziele zu erreichen, wenn er entsprechend umgesetzt wird.”
Der neue ionokalorische Zyklus reiht sich ein in mehrere andere Arten der “kalorischen” Kühlung, die derzeit entwickelt werden.
Diese Techniken verwenden verschiedene Methoden, um feste Materialien so zu manipulieren, dass sie Wärme aufnehmen oder abgeben. Der Unterschied zur ionokalorischen Kühlung besteht darin, dass Ionen für den Phasenwechsel von fest zu flüssig eingesetzt werden.
Die Verwendung einer Flüssigkeit hat den zusätzlichen Vorteil, dass das Material pumpfähig ist, wodurch es einfacher wird, Wärme in das System hinein oder aus ihm heraus zu transportieren – etwas, womit die Festkörperkühlung Schwierigkeiten hat.
Lilley und Kollegen berechneten, dass der ionokalorische Kreislauf das Potenzial hat, mit der Effizienz gasförmiger Kältemittel, die in den meisten heutigen Systemen verwendet werden, zu konkurrieren oder diese sogar zu übertreffen. Sie demonstrierten diese Technik auch experimentell.
Sie verwendeten ein Salz aus Jod und Natrium sowie Ethylencarbonat, ein übliches organisches Lösungsmittel, das in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.
“Es besteht die Möglichkeit, Kältemittel zu verwenden, die nicht nur GWP-neutral, sondern sogar GWP-negativ sind”, sagte Lilley.
“Die Verwendung eines Materials wie Ethylenkarbonat könnte tatsächlich kohlenstoffnegativ sein, weil man es unter Verwendung von Kohlendioxid als Input produziert. Dies könnte uns eine Möglichkeit bieten, Kohlendioxid aus der Kohlenstoffabscheidung zu verwenden.”
Wenn Strom durch das System fließt, werden die Ionen bewegt und der Schmelzpunkt des Materials verändert.
Wenn es schmilzt, nimmt das Material Wärme aus der Umgebung auf, und wenn die Ionen entfernt werden und das Material erstarrt, gibt es Wärme zurück.
Das erste Experiment zeigte eine Temperaturänderung von 25 Grad Celsius mit weniger als einem Volt, ein größerer Temperaturanstieg als bei anderen kalorischen Technologien.
“Wir versuchen, drei Dinge gegeneinander abzuwägen: das Treibhauspotenzial des Kältemittels, die Energieeffizienz und die Kosten der Anlage selbst”, sagt Dr. Ravi Prasher, Forscher an der University of California, Berkeley und dem Lawrence Berkeley National Laboratory.
“Beim ersten Versuch sehen unsere Daten in Bezug auf alle drei Aspekte sehr vielversprechend aus.”
“Wir haben diesen brandneuen thermodynamischen Zyklus und Rahmen, der Elemente aus verschiedenen Bereichen zusammenbringt, und wir haben gezeigt, dass er funktionieren kann.”
“Jetzt ist es an der Zeit zu experimentieren, um verschiedene Kombinationen von Materialien und Techniken zu testen, um die technischen Herausforderungen zu meistern.”
Die Arbeit des Teams wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht..
