von  Kaja Šeruga

Mit EU-Mitteln geförderte Forscher entwickeln ein intelligenteres System zur nachhaltigen Kühlung, bei dem giftige Kältemittel durch sicherere, effizientere und recycelbare Metalle ersetzt werden.

Als junger Ingenieurstudent, der über die Ausrichtung seiner Doktorarbeit nachdachte, wusste Jaka Tušek, dass er die Grenzen der Wissenschaft erweitern wollte. „Ich wollte an Durchbrüchen arbeiten, etwas Neues in Angriff nehmen, das noch nicht gemacht wurde.

Heute steht der slowenische Forscher an der Schwelle zum ersten großen Durchbruch in der Kühltechnik der letzten 100 Jahre. Seine Arbeit ist die Lösung für eine der grundlegenden Herausforderungen unserer Zeit: Kühlung in einer sich erwärmenden Welt, ohne sie weiter zu verschmutzen.

Zeit für Veränderungen

Die Dampfkompressionstechnologie, die in Kühlschränken, Klimaanlagen und anderen Kühlgeräten verwendet wird, ist mehr als ein Jahrhundert alt, relativ ineffizient und schlecht für die Umwelt. Während die schädlichsten Kältemittel seit 1989 verboten sind, hat sich herausgestellt, dass die an ihre Stelle getretenen Fluorkohlenwasserstoffe eine hunderttausendfach höhere Treibhauswirkung haben als CO2.

„Wenn ein Kilogramm eines solchen Kältemittels in die Atmosphäre verdampft, hat es ungefähr den gleichen Treibhauseffekt wie eine Autofahrt von 30 000 Kilometern“, so Tušek.

Aus diesem Grund werden auch die Fluorkohlenwasserstoffe schrittweise aus dem Verkehr gezogen. Natürliche Alternativen wie Ammoniak und Isobutan sind jedoch mit einer Reihe von Problemen behaftet, die von Toxizität und Explosivität bis hin zu schlechter Effizienz in heißen Klimazonen reichen.

Eine solide Lösung

Aufbauend auf den Erkenntnissen des von der EU geförderten Forschungsprojekts SUPERCOOL, das von 2019 bis 2023 an der slowenischen Universität Ljubljana läuft, entwickelt Tušeks Team ein System mit einem grundlegend anderen Ansatz. Es ersetzt giftige Kältemittel durch Metallrohre.

Solche Festkörperkühltechnologien befinden sich zwar noch im Anfangsstadium, aber man geht davon aus, dass sie sicherere Kühlgeräte liefern können, die leise und effizienter arbeiten, ohne die Umwelt zu belasten.

Die Forscher der Universität von Ljubljana arbeiten nun daran, diese neue Technologie auf den Markt zu bringen. Sie bereiten ein Patent vor und entwickeln einen Plan für die Übernahme durch die Industrie im Rahmen von E-CO-HEAT, einer weiteren von der EU finanzierten Forschungsinitiative, die bis Anfang 2026 läuft.

Effizientere und nachhaltigere Heiz- und Kühltechnologien stehen im Mittelpunkt der EU-Strategie für Heizung und Kühlung, die einen wichtigen Teil des europäischen Green Deal darstellt.

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) entfallen derzeit 10 % des weltweiten Strombedarfs auf die Kühlung. Schlimmer noch, der Bedarf an Kühltechnologien nimmt aufgrund der steigenden Temperaturen und der wachsenden Nachfrage in den Entwicklungsländern exponentiell zu.

„Niemand will bei 50 Grad Hitze und 90 % Luftfeuchtigkeit arbeiten“, so Tušek.

Weltweit gibt es heute etwa 2 Milliarden Klimaanlagen, eine Zahl, die sich nach Einschätzung der IEA bis 2050 fast verdreifachen wird.

„Dieses Wachstum in Verbindung mit der Tatsache, dass sie relativ ineffizient und umweltschädlich sind, könnte zu einer Umweltkatastrophe führen“, sagte er.

Das Streben nach Effizienz

Die Kühlung hängt von der grundlegenden Chemie des Phasenwechsels ab, wenn Materie von einem Zustand (fest, flüssig oder gasförmig) in einen anderen übergeht.

Bei herkömmlichen Kühlmitteln wird der Kühlkreislauf durch die Umwandlung von Flüssigkeit in Gas und wieder zurück angetrieben. Aber einige Materialien, wie eine Nickel-Titan-Legierung, bekannt als Nitinol, können eine Phasenumwandlung durchlaufen und dabei fest bleiben.

„Einfach ausgedrückt: Wenn man sie mechanisch belastet, erwärmen sie sich, und wenn man sie entlastet, kühlen sie sich ab“, so Žiga Ahčin, eine der Forscherinnen des Projekts. Die Technologie wird als elastokalorische Kühlung bezeichnet, wobei sich kalorisch in diesem Fall auf die Wärme bezieht.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kältemitteln sind diese Materialien weder für den Menschen noch für die Umwelt schädlich. Nitinoldrähte sind sogar biokompatibel und werden häufig in der Medizin verwendet. Theoretisch könnte das System auch weitaus effizienter sein, auch wenn es noch einiges zu tun gibt.

„Unser Prototyp erreicht derzeit 15 % des maximal möglichen Wirkungsgrads, während die Dampfkompression einen Wirkungsgrad von 20-30 % aufweist“, so Tušek.

„Aber wir entwickeln diese Technologie seit weniger als 10 Jahren, während die Dampfkompressionstechnologie seit über hundert Jahren auf dem Markt ist, also denke ich, dass wir noch etwas Spielraum haben.“

Eine Weltneuheit

Theoretisch könnte die elastokalorische Kühlung einen Wirkungsgrad von bis zu 70 % erreichen, aber es gibt einen großen Haken. Nitinol-Drähte bauen schnell ab, wenn sie wiederholt gedehnt werden, um einen Phasenwechsel zu bewirken, ein Phänomen, das als Ermüdung bekannt ist.

„Nehmen wir an, das Gerät funktioniert 10 000 Ladezyklen lang. Das sind zwei bis drei Tage, und man ist fertig“, sagte Ahčin. Das sah nicht vielversprechend aus.

Doch dann, so erklärt er, kam Tušek auf die Idee, die Materialien zu komprimieren, anstatt sie zu dehnen, um die physische Belastung der Drähte zu verringern.

Der daraus resultierende Prototyp war eine Weltneuheit, denn er erreichte neue Höchstwerte bei der Heiz- und Kühlleistung, ohne dass die Materialien, auf die er angewiesen war, beschädigt wurden.

„Wir haben bewiesen, dass die Lebensdauer solcher Materialien praktisch unbegrenzt sein kann“, so Tušek. „Gleichzeitig war unser Prototyp der weltweit erste mit einer Reichweite von über 30 Grad Celsius, was für praktische Kühl- und Heizanwendungen entscheidend ist.“

Vom Labor in die Welt

Die Forscher der Universität Ljubljana haben sich mit Universitäten aus Deutschland und Italien sowie mit einem Technologieunternehmen aus Irland zusammengetan, um eine fortschrittliche Klimaanlage auf der Grundlage dieser Technologie zu entwickeln. Diese Zusammenarbeit, die den Namen SMACool trägt, wurde auch von der EU finanziell unterstützt.

„Wir kommen schneller voran, wenn wir interdisziplinär arbeiten“, sagte Tušek und merkte an, dass jede Universität ein anderes Fachgebiet beisteuert. Er ist optimistisch, dass die Technologie in den nächsten 5 bis 10 Jahren auf den Markt kommen könnte.

„Der Gedanke, dass diese Technologie eines Tages überall sein könnte, ist cool“, sagte Ahčin. „Und meine Kinder könnten sagen, dass ihr Vater sie entwickelt hat.“

Die Forschung in diesem Artikel wurde durch das Horizon-Programm der EU finanziert. Die Ansichten der Interviewpartner spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider. Wenn Ihnen dieser Artikel gefallen hat, teilen Sie ihn doch bitte in den sozialen Medien.