Eine umweltfreundlichere Klimaanlage

Der Sommer ist in den USA in vollem Gange und die Leute drehen ihre Klimaanlage auf, um der Hitze zu trotzen. Aber die Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel in diesen und anderen Kühlgeräten sind starke Treibhausgase und Haupttreiber des Klimawandels. Heute berichten Wissenschaftler über einen Geräteprototyp, der eines Tages bestehende „Klimaanlagen“ ersetzen könnte. Es ist viel umweltfreundlicher und verwendet feste Kältemittel, um einen Raum effizient zu kühlen.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Herbsttagung der American Chemical Society (ACS) vor.

„Eine Klimaanlage einfach zu installieren oder wegzuwerfen, ist ein enormer Treiber der globalen Erwärmung“, sagt Adam Slavney, Ph.D., der diese Arbeit auf dem Treffen vorstellt. Die in diesen Systemen verwendeten Kältemittel sind tausendmal stärker als Kohlendioxid und können versehentlich aus Systemen austreten, wenn sie gehandhabt oder entsorgt werden.

Herkömmliche Kühlsysteme wie Klimaanlagen funktionieren, indem sie bewirken, dass ein Kältemittel zwischen Gas und Flüssigkeit wechselt. Wenn die Flüssigkeit zu Gas wird, dehnt sie sich aus und absorbiert Wärme, wodurch ein Raum oder das Innere eines Kühlschranks gekühlt wird. Ein Kompressor, der mit etwa 70–150 Pfund pro Quadratzoll (psi) arbeitet, wandelt das Gas wieder in eine Flüssigkeit um und setzt Wärme frei. Bei Klimaanlagen wird diese Wärme nach außen geleitet. Obwohl dieser Kreislauf effizient ist, treiben Bedenken hinsichtlich des Klimawandels und strengere Vorschriften für Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel die Suche nach umweltfreundlicheren Kältemitteln voran.

Feste Kältemittel könnten eine ideale Lösung sein. Im Gegensatz zu Gasen gelangen Feststoffe aus Klimaanlagen nicht in die Umwelt. Eine Klasse fester Kältemittel, sogenannte barokalorische Materialien, funktioniert ähnlich wie herkömmliche Gas-Flüssigkeits-Kühlsysteme. Sie verwenden Druckänderungen, um Wärmezyklen zu durchlaufen, aber in diesem Fall treibt der Druck eine Fest-zu-Fest-Phasenänderung an. Das heißt, das Material bleibt ein Feststoff, aber die innere Molekülstruktur ändert sich. Der entscheidende strukturelle Aspekt dieser barokalorischen Feststoffe besteht darin, dass sie lange, flexible Molekülketten enthalten, die typischerweise schlaff und ungeordnet sind. Aber unter Druck werden die Ketten geordneter und starrer – eine Veränderung, die Wärme freisetzt. Der Prozess, von einer geordneten zu einer entspannten Struktur zu gelangen, ist wie das Schmelzen von Wachs, ohne dass es jedoch zu einer Flüssigkeit wird, sagt Jarad Mason, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts, der an der Harvard University ist. Wenn der Druck abgelassen wird, nimmt das Material die Wärme wieder auf und schließt den Zyklus.

Ein Nachteil von barokalorischen Systemen besteht jedoch darin, dass die meisten dieser Materialien massive Drücke erfordern, um Wärmezyklen anzutreiben. Um diese Drücke zu erzeugen, benötigen die Systeme teure Spezialausrüstung, die für reale Kühlanwendungen nicht praktikabel ist. Mason und sein Team berichteten kürzlich über barokalorische Materialien, die bei viel niedrigerem Druck als Kältemittel wirken können. Sie haben jetzt gezeigt, dass die Kältemittel, die als Metallhalogenid-Perowskite bezeichnet werden, in einem Kühlsystem funktionieren können, das sie von Grund auf neu gebaut haben. „Die von uns gemeldeten Materialien können bei etwa 3.000 psi zyklieren, was Drücke sind, mit denen ein typisches Hydrauliksystem arbeiten kann“, sagt Slavney.

Das Team hat nun einen einzigartigen Prototyp gebaut, der die Verwendung dieser neuen Materialien in einem praktischen Kühlsystem demonstriert. Das Gerät besteht aus drei Hauptteilen. Eines ist ein Metallrohr, das mit dem festen Kältemittel und einer inerten Flüssigkeit – Wasser oder Öl – gefüllt ist. Ein weiterer Teil des Geräts ist ein hydraulischer Kolben, der Druck auf die Flüssigkeit ausübt. Schließlich trägt die Flüssigkeit dazu bei, diesen Druck auf das Kältemittel zu übertragen und Wärme durch das System zu transportieren.

Nach der Lösung mehrerer technischer Herausforderungen hat das Team gezeigt, dass die barokalorischen Materialien als funktionale Kältemittel funktionieren und Druckänderungen in vollständige Temperaturänderungszyklen umwandeln. „Unser System verwendet immer noch nicht so niedrige Drücke wie kommerzielle Kühlsysteme, aber wir kommen dem näher“, sagt Mason. Nach Kenntnis des Teams ist dies das erste funktionierende Kühlsystem, das Festkörperkältemittel verwendet, die auf Druckänderungen angewiesen sind.

Mit dem nun vorliegenden Gerät plant das Team, eine Vielzahl von barokalorischen Materialien zu testen. „Wir hoffen wirklich, diese Maschine als Testumgebung zu nutzen, um uns dabei zu helfen, noch bessere Materialien zu finden“, sagt Slavney, einschließlich solcher, die bei niedrigerem Druck arbeiten und Wärme besser leiten. Mit einem optimalen Material glauben die Forscher, dass Festkörperkältemittel ein brauchbarer Ersatz für aktuelle Klimaanlagen und andere Kühltechnologien werden könnten.