Neues Kühlverfahren für Kühlschränke & Klimaanlagen durch Kristalle möglich

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Neues Material bietet eine lukrative Alternative zu heutigen Kühlprozessen

Jeder hat mindestens eins dieser Geräte im Haushalt – Kühlschränke und Klimaanlagen: sie gehören zum Alltag dazu und sind nicht mehr wegzudenken. Daher benötigen diese Art von Geräten etwa ein Viertel der gesamten Stromproduktion auf unserem Planeten.

Bisher ist der klassische Kühlprozess eine Kompression und Ausdehnung flüssiger bzw. gasförmigen Kühlmittel, doch diese Technik könnte bald abgelöst werden.

Mithilfe von plastischen Kristallen haben chinesische Materialforscher vielleicht eine gute Alternative gefunden. Diese Alternative nennt sich Kolossaler barokalorischer Effekt und kann bis zu 50 Grad kühlen.

Dieser Effekt ermöglicht kleine Aggregate, die zum Beispiel Computerprozessoren kühlen können. Das interessanteste ist allerdings, dass diese Art der Festkörperkühlung in naher Zukunft klimaschädliche Kühlmittel ersetzen kann.

Für ihre Versuche wählten Forscher vom Shenyang National Laboratory for Materials Science das vollsynthetische, organische Material Neopentylglycol. Knapp unter Raumtemperatur bildeten die organischen Moleküle in diesem Festkörper eine ungeordnete Struktur. Wird Neopentylglycol mit relativ geringem Druck von bis zu 45 „Megapascal“ (Druckeinheit) gepresst, ordnen sich die Moleküle mit Drehbewegungen zu einer symmetrischen, kristallartigen Struktur um – Dabei erwärmt sich das Material. Nachdem die Wärme und der Druck reduziert wird, entsteht wieder die ursprüngliche, molekulare Unordnung. Bei diesem Prozess kühlt es um bis zu 50 Grad ab. „Dieser barokalorische Effekt des Materials bietet eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kompressionskreisläufen“, sagen die Forscher.

Physikalisch beruht diese große Kühlwirkung auf der variablen Entropie (physikalische Größe, die die Verlaufsrichtung eines Wärmeprozesses kennzeichnet) des Materials. Je höher die Entropie, desto weniger „Ordnung“ liegt vor.

Über das Zusammenpressen des plastischen Kristalls konnten die Forscher die Entropie drastisch reduzieren. Mit 389 Joule (ist die abgeleitete SI-Einheit der Energie – diese wird heutzutage für alle Energieformen verwendet.) pro Kilogramm und Grad zeigte es einen deutlich größeren barokalorischen Effekt als viele andere bisher untersuchte Materialien.

„Ohne äußeren Druck nahm die Entropie wieder zu und parallel kühlte das Material ab.„

Plastische Kristalle aus Neopentylglycol zeigen ein großes Potenzial für eine effiziente Festkörperkühlung. Je nach Größe könnte der Stoff für kleine Computerchips oder auch für große Kühlschränke genutzt werden. Zudem ist es günstig herstellbar. Bevor erste Kühlschränke mit plastischen Kristallen hergestellt werden, müssen jedoch noch die Stabilität auf lange Zeiträume optimiert und ein nachhaltiger Kühleffekt nach vielen Druckzyklen beseitigt werden.