Effizienter Kühlschrank ohne Kühlflüssigkeit

Kühlschränke und Klimaanlagen verbrauchen weltweit etwa ein Fünftel des erzeugten Stroms – Tendenz steigend. Um Strom effizienter in Wärme – oder Kälte – umzuwandeln, sind bessere Systeme nötig. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten dazu nun einen Prototyp, der für die gleiche Kühlleistung weniger Strom als herkömmliche Kühlschränke benötigt. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, übertrifft er mit einer Effizienz von 64 Prozent die etablierten Kühlsysteme, die eine Effizienz von bestenfalls 50 Prozent aufweisen.

In den meisten bisherigen Kühlsystemen werden Gase zu Flüssigkeiten komprimiert. Sie sind jedoch auf klimaschädliche fluorhaltige Substanzen angewiesen. Im Gegensatz dazu basiert das neue Kühlsystem auf Feststoffen – hier kommen spezielle Kristalle zum Einsatz. Legt man an dieses Material eine elektrische Spannung an, richten sich die Bestandteile des Kristalls aus und es erwärmt sich. Wird die Spannung abgeschaltet, kühlt sich das Material umgekehrt wieder ab. Die genaue Ursache für das Phänomen – elektrokalorischer Effekt genannt – ist noch unklar. Möglicherweise schwingen die Bestandteile der Kristalle unter Spannung stärker.

Auf der Basis dieses Effekts entwickelte die Gruppe um Emmanuel Defay vom Luxembourg Institute of Science and Technology einen Prototyp. Dazu stapelten sie mehrere Lagen aus Bleiscandiumtantalat übereinander, das sich in einem elektrischen Feld erwärmt. Abwechselnd bauten sie mit bis zu 400 Volt starken Spannungen ein elektrisches Feld auf und danach wieder ab. Die in diesem Kreislauf erzeugte Wärme führten sie über eine Flüssigkeit durch die Stapelstruktur wieder ab.

Vielversprechender Prototyp für alternatives Kühlsystem

Dieses Kühlsystem erreichte eine maximale Kühlleistung von 4,2 Watt – genug, um um einige Milliliter Wasser um etwa 20 Grad Celsius abzukühlen. Der bisherige Rekordwert für solche elektrokalorischen Kühlungen stammt aus dem Jahr 2020 und lag gerade mal bei 13 Grad Celsius. Um kleinere Objekte wie etwa Prozessoren in einem Computer zu kühlen, könnte der neue Kühler schon ausreichen. Doch für größere Objekte wie Klimaanlagen oder Kühlschränke ist er noch zu klein und nicht leistungsfähig genug.

Sollte es in Zukunft gelingen, über ein geschicktes Design der kühlenden und wärmenden Kristallschichten dieses alternative Kühlsystem weiter zu optimieren, locken zahlreiche Anwendungen. Einerseits ließen sich stromsparendere Kühlschränke und Klimaanlagen entwickeln. Andererseits wären auch effizientere und geräuschlose Wärmepumpen vorstellbar, die es ermöglichen würden, Gebäude mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu heizen – ganz ohne schädliche Kühlflüssigkeiten.