Kühlen per Festkörper

Wie der Name schon besagt, verwandeln diese Effekte unterschiedliche physikalische Kräfte in Wärme beziehungsweise Kälte. Bei elektrokalorischen Materialien sorgt elektrischer Strom dafür, dass ein Festkörper wärmer oder kälter wird. Bei magnetokalorischen Stoffen sind es Magnetfelder, bei elastokalorischen eine angelegte Zugspannung oder Entspannung, und bei barokalorischen Werkstoffen sind es Druckunterschiede. Um anhand dieser Effekte eine Kühlung zu erzielen, nutzt man zunächst Strom, Magnetfelder oder mechanische Kräfte zur Erwärmung. Dann transportiert man die Wärme ab und lässt den Gegeneffekt wirken – schaltet also etwa den elektrischen Strom oder das Magnetfeld ab, wodurch sich das Material abkühlt.

Rekord mit Elektrokalorik

Jedes dieser Materialien besitzt seine Vor- und Nachteile. Ein wichtiger Faktor, warum all diese Effekte in letzter Zeit stärker in den Fokus der Forschung gerückt sind, ist die energetische Effizienz. Die gegenwärtige kompressor-basierte Kühlung erreicht im besten Fall gut 50 Prozent des theoretisch möglichen Wirkungsgrades, im praktischen Einsatz liegen die Werte aber meist ein ganzes Stück darunter. Kalorische Effekte können zumindest der Theorie nach erheblich effizienter sein, hatten aber bislang diese Werte nicht erreicht.

Ein Team um Emmanuel Defay von der Universität Luxemburg hat nun kürzlich einen bemerkenswerten Rekord erzielt, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten. Ihr elektrokalorisches System erreichte eine energetische Effizienz von 64 Prozent des theoretischen Maximums. Das ist eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu früheren Prototypen mit kalorischen Materialien. Die Kühlleistung lag bei rund vier Watt. Das ist zwar noch gering, allerdings war der Prototyp auch noch recht klein. Damit konnten die Wissenschaftler eine Temperaturdifferenz von über 20 Grad Celsius erzielen.

Als Material wählte das Luxemburger Forscherteam eine Verbindung aus Blei, Scandium und Tantal und stapelten sie in mehreren Lagen aufeinander. Die kleinen Bauteile aus Blei-Scandium-Tantalit hatten einen Durchmesser von nur wenigen Millimetern und wurden von der japanischen Firma Murata Manufacturing geliefert.

Zwei Flüssigkeitskreisläufe sorgten für die Temperaturregulierung: Der eine transportierte Wärme, der andere Kälte. Durch abwechselndes Anlegen und Abschalten der Spannung baute sich so eine Temperaturdifferenz von 20,9 Grad Celsius auf. Bisherige Höchstwerte, die mit ähnlichen Materialien erreicht wurden, lagen bei lediglich 13 Grad. Die Wissenschaftler arbeiteten hierbei mit einer Spannung von 400 Volt. Wie sie betonen, kann man aber auch normale Netzspannung nutzen.

Leider ist im verwendeten Material nicht nur das Schwermetall Blei enthalten. Auch das Seltenerdmetall Scandium und das selten vorkommende Tantal sind vergleichsweise teuer. „Aber es gibt Alternativen“, sagt Torello. „Für die Elektrokalorik kommen auch Polymere oder bleifreie Keramiken infrage, die relativ günstig sind.“

Hochgenaues Messsystem

Auch an der Ruhr-Universität Bochum wird an elektrokalorischen Systemen geforscht. Die Bochumer Arbeitsgruppe um Professor Daniel Hägele hat ein spezielles Messsystem entwickelt, mit dem sie winzige und schnelle Temperaturänderungen sehr genau messen können – und zwar tausendstel Grad in einer tausendstel Sekunde. Dazu haben die Forscher einen speziellen Infrarotdetektor eingesetzt. Mit solchen Grundlagenforschungen wollen sie vor allem hoch polarisierbare Materialien untersuchen, die als sehr vielversprechend gelten.

Dazu planen die Forscher, die Eigenschaften elektrokalorischer Materialien detailliert unter die Lupe zu nehmen. Wenn ein elektrischer Strom durch das Material fließt, erwärmt es sich. Sobald der Stromfluss aufhört, kühlt es sich ab. Dieser Effekt beruht darauf, dass sich durch das elektrische Feld die Ordnung im Material ändert. Elektrokalorische Materialien besitzen im Inneren molekulare Dipole, die sich am elektrischen Feld ausrichten. Diese Dipole schwingen so wie die Atome in den Molekülen hin und her. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, richten sich die Dipole entlang des Feldes aus. Die überschüssige Schwingungsenergie übertragen sie auf Schwingungen des Molekülgitters. Das erhöht die Temperatur. Wenn man das Feld wieder abschaltet, geschieht genau das Gegenteil: Die Dipole nehmen Schwingungsenergie vom Molekülgitter auf, wodurch sich das Material abkühlt.

Mit diesen Messungen wollen die Forscher in Bochum neuartige elektrokalorische Materialien identifizieren. Sie untersuchen hierzu verschiedene Arten von Substanzen, von etablierten Metalllegierungen bis hin zu Keramiken und Kunststoffpolymeren.

Klarer Vorteil bei der Effizienz

Generell gelten elektrokalorische Substanzen als besonders effizient. Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil liegt darin, dass elektrokalorische Materialien direkt elektrische Felder nutzen können. Das erspart voluminöse und teure Magnete, wie sie bei der Nutzung der Magnetokalorik nötig sind – und ebenso mechanische Komponenten wie beim Einsatz der Elasto- und Barokalorik. „Das macht alles einfacher, nicht zuletzt den Bau von Prototypen“, sagt Torello.

Auch David Schwartz sieht viele Vorzüge bei elektrokalorischen Materialien. Schwartz ist Forschungsdirektor für saubere Technologien am Palo Alto Research Center im Silicon Valley, Kalifornien. „Ich denke nicht, dass es irgendwelche grundsätzlichen Hindernisse beim Materialdesign gibt“, sagt er. „Die Wissenschaft dahinter ist verstanden, und es konnten bereits verschiedene Materialien mit hinreichender Leistungsfähigkeit demonstriert werden.“

Allerdings: Im Augenblick steckt die Technologie seiner Meinung nach noch im Niemandsland zwischen universitärer und angewandter Forschung fest. Denn bislang wurde vor allem universitäre Grundlagenforschung mit kleinen Prototypen betrieben, die sich nicht ohne weiteres in kommerzielle Produkte überführen lassen. Ein Unternehmen müsste jedoch einiges Geld in die Hand nehmen, um daraus ein zuverlässiges Produkt zu entwickeln. „Das ist genau die Art von Sackgasse, für deren Überwindung eine staatliche Finanzierung am besten geeignet ist“, schätzt Schwartz die Lage ein.

Gegenwärtig scheint vor allem China stark an einer kommerziellen Weiterentwicklung der Elektrokalorik interessiert zu sein. Asien ist ein riesiger Mark für den Einsatz von Kühltechnologien. Es könnte also sehr gut sein, dass die nächsten Durchbrüche in Sachen Elektrokalorik in China erzielt werden.

Wie würde so ein Durchbruch aussehen? Vor allem müsste die absolute Kühlleistung noch stark zunehmen. Derzeit sind die wenigen Watt, die von den heutigen Prototypen erreicht werden, noch weit von der Praxistauglichkeit entfernt.

Die Industrie in Lauerstellung

Alvar Torello schätzt die Lage so ein: „Das ist im Augenblick der Flaschenhals bei der Elektrokalorik.“ Die erzielten Temperaturdifferenzen und vor allem die hohe Effizienz seien schon gut. Die Temperaturdifferenz ließe sich auch dadurch erhöhen, dass man noch mehr Elemente hintereinander schaltet. Die Industrie wird seiner Meinung nach in dem Augenblick auf die Technologie aufspringen, wenn die Kühlleistung deutlich besser wird. Da elektrokalorische Systeme kompakt und leicht sind, bieten sie sich insbesondere für die Kühlung elektronischer Geräte an. Da sie außerdem sehr energieeffizient sind, sind sie auch für die Anwendung in Elektroautos interessant. Außerdem sind sie leise und produzieren kaum Geräuschemissionen. Das ist eine positive Eigenschaft für den Einsatz in Wohnungen.

Man darf also gespannt sein, wohin die Reise mit den Elektrokalorika geht. Was die Anwendungsreife betrifft, sind magnetokalorische Stoffe allerdings bereits einen Schritt weiter. Die noch junge Firma Magnotherm hat 2023 mehrere Investoren gefunden. Das in Darmstadt ansässige Unternehmen ist Gründerpreisträger und entwickelt innovative Kühlschränke auf Basis des magnetokalorischen Effekts. Magnotherm wurde 2019 von Wissenschaftlern und Studenten der Technischen Universität Darmstadt gegründet und hat bereits ein marktreifes Produkt im Angebot, mit dem Supermärkte im Kühlregal Strom und Geld sparen können.

Verflüssigen von Wasserstoff

Auch in der Elastokalorik gibt es erste Start-ups, während in der Barokalorik noch an brauchbaren Prototypen geschraubt wird. Die gesamte Kalorik nimmt also derzeit kräftig Fahrt auf. Neben herkömmlichen Kühllösungen steht auch die Verflüssigung von Wasserstoff auf der Wunschliste der Wissenschaftler. Für die Energiewende muss weltweit eine riesige Wasserstoffwirtschaft entstehen. Zum Transport muss das flüchtige Gas verflüssigt werden, wozu sehr tiefe Temperaturen benötigt werden. Diese Anforderung wird einen riesigen Strombedarf mit sich bringen. Effiziente Kühlverfahren sind also notwendig, um auch diesen wichtigen Baustein der Energiewende möglichst praktikabel und kostengünstig zu gestalten.