Nach mehr als einem Jahrhundert wollen Physiker die bewährte Technik des Kühlschranks entthronen, um die Kühlung energieeffizienter zu gestalten.
Der Sommer 2023 war weltweit der heißeste seit Beginn der Aufzeichnungen. Vielerorts wüteten verheerende Waldbrände, Menschen litten unter Hitzerekorden. In einer immer wärmer werdenden Welt steigt auch der Bedarf an Kühlung – und Kühlung verbraucht Energie. Viel Energie.
„Kälte zu erzeugen ist in der Regel schwieriger als Wärme zu erzeugen“, sagt Professor Daniel Hägele, Physiker an der Ruhr-Universität Bochum. Die Kompressortechnologie, die in heutigen Kühlschränken zum Einsatz kommt, wurde vor mehr als einem Jahrhundert erfunden. „Während die Technologie im Laufe der Jahre immer weiter optimiert wurde, waren die jüngsten Verbesserungen der Energieeffizienzklassen meist mit Anpassungen wie beispielsweise einer dichteren Türabdichtung verbunden“, betont der Forscher.
Es ist durchaus denkbar, völlig andere Techniken zur Kälteerzeugung einzuführen als bisher. Das Team um Daniel Hägele von der Arbeitsgruppe Spektroskopie kondensierter Materie untersucht den sogenannten kalorischen Effekt: Einige feste Materialien ändern ihre Temperatur, wenn sie gedehnt oder einem elektrischen oder magnetischen Feld ausgesetzt werden.
Feststoffe erzeugen in einem elektrischen Feld Kälte
Hägeles Team untersucht seit vielen Jahren die kalorische Wirkung. Zunächst nutzten die Forscher Magnetfelder, um mit Festkörpern Kälte zu erzeugen. Allerdings sind dafür Feldstärken erforderlich, die denen eines MRT-Geräts ähneln – und könnten daher nicht in einem Kühlschrank oder einer Klimaanlage umgesetzt werden.
Deshalb arbeiten Hägele und seine Kollegen Jörg Rudolph und Jan Fischer jetzt mit elektrischen Feldern. „Wir können grundsätzlich Strom aus der Steckdose nutzen“, sagt Fischer. „Zu Versuchszwecken verstärken wir die Spannung auf mehrere tausend Volt.“
Denn das Bochumer Team interessiert sich für Spezialeffekte. Die Forscher messen, wie verschiedene Materialien auf das äußere elektrische Feld reagieren, beispielsweise auf Temperaturänderungen. Sie interessieren sich vor allem für zeitaufgelöste Effekte, also wie schnell die Temperatur sinkt oder steigt, wenn sich das äußere elektrische Feld ändert.
„Wir können Veränderungen von einem Tausendstel Grad in einer Tausendstelsekunde erkennen – so schnell schafft das kein anderer“, beschreibt Fischer, was den Bochumer Ansatz so einzigartig macht.
Schnell sein zahlt sich aus
Auf den ersten Blick mag es paradox erscheinen, dass die Gruppe an diesen winzigen Veränderungen interessiert ist. „Wir suchen eigentlich nach Materialien mit möglichst großen Temperatureffekten“, gibt Hägele zu. „Aber manchmal muss man klein anfangen.“ Die kleinen Änderungen auf der Zeitskala verraten den Forschern viel über die grundlegenden Prozesse, die zu Temperaturänderungen in Festkörpern führen. Darüber hinaus wären Materialien, die ihre Temperatur schnell ändern können, für Anwendungen besonders relevant.
„Bei einem kalorischen Kühlprozess wird Wärme paketweise abtransportiert“, erklärt Jörg Rudolph. „Um den Prozess effizient zu gestalten, wäre es am besten, die Wärmepakete schnell nacheinander abzuführen.“
Nicht zuletzt ermöglichen schnelle Messungen auch einen unverfälschten Blick auf die Materialeigenschaften. Denn die Heiz- und Kühlproben tauschen im Laufe der Zeit Wärme mit ihrer Umgebung aus, beispielsweise mit dem Substrat, auf dem sie montiert sind. Wenn die Forscher die Temperatur sehr schnell messen, bleibt keine Zeit für die Wärmeübertragung und sie können den reinen Kalorieneffekt messen.
Doch warum ist die Bochumer Technik eigentlich so schnell? „Temperatur messen – das mag zunächst einfach klingen“, sagt Jörg Rudolph. „Die genaue Messung geringfügiger Temperaturschwankungen ist jedoch ein überraschend komplizierter Prozess. Man kann nicht einfach ein Thermometer an die Probe halten.“ Erstens ist die Probe viel zu klein, weniger als einen Millimeter dick. Zweitens würde es zu einem Wärmeaustausch zwischen Probe und Thermometer kommen, der die Messungen verfälschen würde.
Infrarotdetektor als Thermometer
Deshalb hat Daniel Hägele vor einigen Jahren speziell für solche Messungen einen Versuchsaufbau entwickelt, den sein Team nun optimiert hat. Sie nutzen einen berührungslosen Infrarotdetektor, um die von der Probe abgegebene Wärmeenergie zu messen. Der Versuchsaufbau befindet sich in einem klimatisierten Raum auf einem vibrationsstabilisierten Tisch – ein Gerät, dessen Installation eher schwierig war.
„Der Tisch wiegt eine Tonne, daher konnten wir ihn nicht einfach in den Aufzug stellen. Um ihn ins Labor zu bringen, mussten wir zwei Fenster entfernen und ihn mit einem Kran hineinheben“, erzählt uns Daniel Hägele. „Außerdem muss es an einer bestimmten Stelle im Raum stehen, damit es nicht durch den Boden kracht“, ergänzt Jörg Rudolph.
Mehrere Materialeigenschaften gleichzeitig messen
Mittlerweile ist der Aufbau seit Jahren fest im Labor installiert und Hägele, Rudolph und Fischer haben damit schon eine Reihe von Materialien gemessen. Neben der Messung schneller Temperaturänderungen können sie gleichzeitig eine zweite Materialeigenschaft in den Festkörpern erfassen, nämlich die Polarisation – ein weiterer Aspekt, der den Bochumer Aufbau einzigartig macht. Dies ist sinnvoll, da hochpolarisierbare Materialien Vorteile bei der Kälteerzeugung bieten.
Neben etablierten Materialien wie der seltenen Erde Gadolinium und verschiedenen Metalllegierungen erforschen die Bochumer Forscher auch andere Materialklassen wie Keramik und Kunststoffpolymere, da auch diese Kategorien vielversprechende Kandidaten hervorgebracht haben. Dabei legen sie Wert auf umweltfreundliche und schadstofffreie Materialien.
Einige davon wurden bereits von anderen Gruppen zum Bau von Demonstratoren genutzt. „Es ist großartig, dass unsere Grundlagenforschung eine so konkrete Anwendung findet“, sagt Jörg Rudolph. „Das ist ein starker Motivator.“
Die Kühlung auf Basis der kalorischen Wirkung ist ein mehrstufiger Prozess. Typischerweise kann ein Material nur eine Abkühlung von drei bis vier, höchstens 6 °C auf einmal erreichen. Ein Kühlsystem könnte aber auch aus mehreren Kammern bestehen, die an den Verbindungsstellen für eine Kühlung um einige Grad sorgen und so insgesamt einen deutlichen Kühleffekt erzielen.
Viele realisierbare Anwendungen
Anders als bei herkömmlichen Kühlschränken würde die Kälte nicht mehr mit einem Gas oder einer Flüssigkeit, sondern mit einem festen Material erzeugt. „Der Vorteil eines festen Materials besteht darin, dass es mehr Atome pro Kubikzentimeter enthält“, erklärt Hägele. „Dadurch könnten wir kompaktere Kühlgeräte bauen.“ Und möglicherweise auch effizientere.
Dies könnte nicht nur für Kühlschränke und Klimaanlagen nützlich sein, sondern beispielsweise auch für die Wasserstoffverflüssigung. In einer Welt, die immer wärmer wird, gäbe es sicherlich viele Anwendungen.