Trend-NEWS

Übliche Haushaltskühlschränke, Gefriergeräte oder andere Systeme zur Kälteerzeugung verbrauchen viel Strom und belasten die Umwelt durch ihre Kältemittel. Das Resultat ist ein CO₂-Anstieg verbunden mit einem Einfluss auf die Atmosphäre. Eine Möglichkeit der Minimierung solch eines unerwünschten Fußabdrucks ist ein potenzieller Einsatz kalorischer Kühlsysteme. Denn kalorische Kühlsysteme benötigen keine umweltbelastenden Kühlmittel und lassen sich prinzipiell durch höhere Wirkungsgrade im Vergleich zu den heutigen Kühlsystemen charakterisiert. Erste Prototypen sind derzeit im Einsatz und werden jetzt schon als potenzielle Kühlsysteme der Zukunft gesehen.

Die kalorische Kühlung gehört zu den festkörperbasierten Kühlverfahren und wird durch kalorische Materialeffekte erzeugt, die abhängig vom äußeren Einfluss (Magnetisierung, Polarisierung, mechanische Belastung) entsprechend in die magneto-, elektro- und elastokalorische Kühlung unterteilt werden. Hierbei ist der magnetokalorische Effekt grundsätzlich in allen ferromagnetischen Materialien wie z. B. Gadolinium unter Magnetisierung beobachtbar. Der elektrokalorische Effekt tritt bei Ferroelektrika und Antiferroelektrika wie z. B. Keramiken innerhalb eines elektrischen Feldes auf. Und der elastokalorische Effekt ist bei einem elastischen Material wie z. B. einer Formgedächtnislegierung unter mechanischer Belastung (z. B. Biegung, Druck) feststellbar. Ein kalorischer Kühlkreislauf läuft immer gleich ab, zuerst erfährt das kalorische Mittel unter entsprechendem äußerem Einfluss eine starke, reversible Temperaturerhöhung.  Die entstandene Wärme wird mit einem Kühlmittel wie z. B. einer Kühlflüssigkeit auf Wasserbasis abgeführt, womit die Temperatur des kalorischen Materials wieder auf die Ausgangstemperatur zurückfällt. Nun führt das Entfernen des äußeren Einflusses zu einer Abkühlung des kalorischen Materials unterhalb der Ausgangstemperatur. Die entstandene Wärme wird durch eine Verbindung zwischen dem kalorischen Material und dem zu kühlenden System aufgenommen und mittels eines Kühlmittels abtransportiert. Somit stellt der wiederholende Kreisprozess der kalorischen Kühlung und die notwendige, durchgehende Wärmeabfuhr die gewünschte Kühlwirkung sicher.

Potenzielle Einsatzgebiete kalorischer Kühlsysteme sind z. B. die Kühl- und Klimatechnik in Gebäuden oder im Automobilbereich, Kühlschränke im Haushalt, der Industrie und Wissenschaft, Server- und Schaltschrankkühlungen und die Kryotechnik. Auch denkbar ist eine Anwendung zur Kühlung von Elektronik und Optoelektronik sowohl im Automobilbereich als auch in der Luft- und Raumfahrt. Die Machbarkeit ernstzunehmender Prototypen konnte in den letzten Jahren demonstriert werden. Eine Umsetzung der kalorischen Kühlung als Alternative konventioneller Kühlsysteme erscheint sinnvoll, da sie durch eine energieeffiziente, umweltfreundliche, geräusch- und wartungsarme Arbeitsweise charakterisiert ist. Zusätzlich besitzen kalorische Kühlsysteme einen höheren theoretischen Wirkungsgrad als aktuelle Kühlsysteme. Des Weiteren wird diesen eine noch höhere Lebensdauer bedingt durch eine hohe Resistenz gegenüber Erschütterungen und Vibrationen vorhergesagt. Auch wenn vielversprechende Forschungsergebnisse und Prototypen der kalorischen Kühlung existieren, ist kurzfristig mit einer Ablösung konventioneller Kühlsysteme nicht zu rechnen. Das liegt daran, dass eine Vielzahl kalorischer Materialien den notwendigen Anforderungen wie z. B. einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer niedrigen spezifischen Wärmekapazität sowie einer guten chemischen und mechanischen Stabilität nicht gerecht wird. Somit werden die gewünschten Temperaturänderungen nicht erreicht. Zwar sind einige Materialien für die magnetokalorische Kühlung jetzt schon kommerziell erhältlich, doch sind besonders die Materialien für die elektro- als auch die elastokalorische Kühlung noch im Grundlagenstudium.

Durch eine vielversprechende Praxistauglichkeit mit innovativer Technik und dem Potenzial den Markt der Kälte- und Klimatechnik zu revolutionieren, kann davon ausgegangen werden, dass die kalorische Kühlung mittel- bis langfristig eine Alternative zu den aktuellen Kühlverfahren ist.