Physik

Nov 09, 2023

Kühlsysteme, die Materialien verwenden, die als Reaktion auf eine angelegte elektrische, magnetische oder mechanische Kraft abkühlen, bieten umweltfreundliche Alternativen zu den Treibhausgas-austretenden Systemen, die in den meisten Häusern und Fabriken zu finden sind (siehe Feature: Auf der Suche nach Kühlung im 21. Jahrhundert). Jetzt haben Forscher eine kostengünstige, skalierbare Version eines dieser sogenannten „kalorischen Kühlsysteme“ demonstriert [1]. Ihr Ansatz, bei dem ein Material verwendet wird, das auf mechanische Kraft reagiert, übertrifft die Leistungsrekorde von Methoden, die auf Magnetfeldern basieren. Die Forscher sagen, dass ihre Technologie auch viel kostengünstiger in der Herstellung und im Betrieb sei und innerhalb eines Jahres für den kommerziellen Einsatz bereit sein könnte.

Magnetbasierte Kühlsysteme erlangten bereits 1998 großen Ruhm mit der Demonstration eines Systems, das nahezu Raumtemperatur hatte und seinen Inhalt 1500 Stunden lang kalt hielt [2]. In diesem System wurde ein Magnetfeld an ein magnetokalorisches Material angelegt, was zu einem Temperaturanstieg führte, da Atomschwingungen den Entropieverlust kompensierten, wenn sich ungepaarte Spins im Material ausrichteten. Durch Ausschalten des Feldes wurde dieser Anstieg umgekehrt, sodass das Material als Kältemittel fungieren konnte, das in den Kühlschlangen eines Haushaltskühlschranks verwendet werden konnte. Um den magnetokalorischen Effekt auszulösen, sind jedoch starke Magnetfelder (> 1 Tesla) erforderlich, die nur durch teure Permanentmagnete bereitgestellt werden können, die Seltenerdlegierungen enthalten.

Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung eines elastokalorischen Materials. Ein solches Material erfährt eine entropieinduzierte Temperaturänderung, wenn es einer mechanischen Kraft ausgesetzt wird, die groß genug ist, um die Phase des Materials teilweise zu ändern. Im Jahr 2012 entdeckte Ichiro Takeuchi von der University of Maryland, dass ein handelsüblicher Draht aus Nickel und Titan (NiTi) beim Strecken eine solche Veränderung erfährt, wobei der Temperaturanstieg groß genug ist, um mit der Hand gefühlt zu werden. Später fand er heraus, dass es beim Komprimieren von NiTi-Rohren zu einem Temperaturabfall kommt, und nutzte den Effekt dann im Jahr 2016, um ein frühes elektrokalorisches Kühlsystem zu entwickeln. „Wir haben vor etwa zehn Jahren mit der Herstellung von [Low-Power-Kühl-]Systemen mit NiTi-Röhren im Kompressionsmodus begonnen“, sagt Takeuchi.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Takeuchi und Reinhard Radermacher von der University of Maryland die elastokalorische Kühlung an die Spitze des Rennens um treibhausgasfreie Kühlung gebracht. Zwischen der Demo von 2016 und der neuen Version standen mehrere technische Herausforderungen, die eine verbesserte Flüssigkeitsrückgewinnung, einen geringeren Wärmeverlust aufgrund von Reibung und dichtere Rohrbündel ermöglichten. In dem neuen Gerät fließt Wasser – die Wärmeaustauschflüssigkeit – durch zwei Bündel handelsüblicher NiTi-Röhren. Die beiden Bündel werden über einen Aktuator verbunden, der eine Last auf ein Bündel ausübt, während es das andere entlastet, wodurch Kompressionszyklen erzeugt werden, die die Kühlung antreiben. Das System kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden, je nachdem, wie viel Wasser während eines Zyklus durch das System fließt. Ein Modus optimiert die Kühlleistung, der andere die Temperaturspanne. Das Team zeigte, dass es das System um 22,5 K kühlen konnte, verglichen mit 4,7 K in seinem Plan von 2016.

Dennoch deuten die Berechnungen des Teams darauf hin, dass die Gesamteffizienz des Systems durch den Einsatz effizienterer Aktuatoren um den Faktor 6 verbessert werden könnte. Darüber hinaus glauben die Forscher, dass sie die Effizienz verbessern könnten, indem sie NiTi durch ein bekanntes Material auf Kupferbasis ersetzen, das bei geringerer Belastung eine ähnliche elastokalorische Temperaturänderung zeigt. Solche Materialien sind derzeit nicht kommerziell erhältlich, aber Takeuchi sagt, er freue sich darauf, sie in Kühlsystemen mit geringer Belastung einzusetzen.

Die Daten von Takeuchi und seinem Team „sind sehr beeindruckend“, sagt Kilian Bartholomé, der am Fraunhofer-Institut für physikalische Messtechnik in Deutschland an thermischen Energiewandlern forscht. Er weist darauf hin, dass fast alle gezeigten elastokalorischen Systeme NiTi verwenden, das weder für den Einsatz in Kühlgeräten hergestellt noch optimiert wurde, sodass noch „großes Potenzial“ zur Leistungssteigerung der Systeme bestehe. Takeuchi glaubt, dass er und seine Kollegen die Leistung ihres Systems so weit verbessern können, dass die Technologie innerhalb eines Jahres kommerziell nutzbar wird. Die erste Anwendung, die er sich vorstellt: ein kompakter Weinkühler.

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz ist korrespondierende Redakteurin für das Physics Magazine mit Sitz in Vancouver, Kanada.

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