Festkörper-Kühlschrank erreicht Rekordwerte

Luxemburg (Luxemburg) - Kühlschränke und Klimaanlagen verbrauchen weltweit etwa ein Fünftel des erzeugten Stroms. Bis 2050 könnte sich der Bedarf sogar noch verdreifachen. Um diesen Stromhunger zu reduzieren, könnten in Zukunft Festkörper-Kühlsysteme die bisher verbreiteten Anlagen mit einem Kreislauf eines flüssigen, fluorhaltigen Kühlmittels ersetzen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Luxemburg und Japan entwickelten dazu ein elektrokalorisches System, das mit einer hohen Effizienz von 64 Prozent die etablierten Kühlsysteme mit bestenfalls 50 Prozent Effizienz überflügelt. Ihren Prototyp stellen sie in der Fachzeitschrift „Science“ vor.

Das Kühlen mit Festkörpern beruht auf speziellen Materialien wie etwa Bleiscandiumtantalat. In einem elektrischen Spannungsfeld nimmt die Ordnung in diesen Kristallen zu und das Material erwärmt sich. Ohne elektrisches Feld kühlt es sich umgekehrt wieder ab. Komplett geklärt ist dieser elektrokalorische Effekt auf der Strukturebene der Kristalle noch nicht. Doch könnten stärkere Gitterschwingungen in einem elektrischen Feld zu der beobachteten Erwärmung verantwortlich sein. Ohne angelegte Spannung mit schwächeren Gitterschwingungen kühlt das Material dagegen wieder ab.

Die Gruppe um Emmanuel Defay vom Luxemburg Institute of Science and Technology (LIST) konzipierte auf der Basis dieses elektrokalorischen Effekts einen verblüffend effizienten Prototyp. Dazu stapelten sie mehrere Lagen aus Bleiscandiumtantalat zu einem so genannten Regenerator übereinander. Abwechselnd bauten sie mit bis zu 400 Volt starken Spannungen ein elektrisches Feld von etwa zehn Volt pro Quadratmikrometer auf und danach wieder ab. Die in diesem Kreislauf erzeugte Wärme – oder umgekehrt auch Kälte - führten sie über eine dielektrische Flüssigkeit durch die Stapelstruktur ab. Dabei erzielten die Forschenden einen Temperaturunterschied von bis zu 20 Grad mit einer maximalen Kühlleistung von 4,2 Watt.

Dieses elektrokalorische Kühlsystem erreicht erstmals eine für praktische Anwendungen nutzbare Temperaturdifferenz von gut 20 Grad. Der bisherige Rekordwert aus dem Jahr 2020 lag gerade mal bei 13 Grad. Doch für den Einsatz in einer Klimaanlage oder Kühlschrank sind sowohl die Dimensionen als auch die absolute Kühlleistung noch zu gering. Aber für die Kühlung kleinerer Objekte wie etwa die Prozessoren in einem Computer könnte die Leistung solcher Systeme schon ausreichen.

Sollte es in Zukunft gelingen, über ein geschicktes Design der kühlenden und wärmenden Kristallschichten die Leistung der elektrokalorischen Systeme weiter zu steigern, locken zahlreiche Anwendungen. Einerseits ließen sich Kühlschränke und Klimaanlagen mit einem deutlich reduzierten Stromverbrauch entwickeln. Andererseits wären auch effizientere und völlig geräuschlose Wärmepumpen zum klimafreundlichen Heizen von Gebäuden mit Strom aus erneuerbaren Quellen vorstellbar.