Ionokalorische Kühlung könnte Kältemittel künftig ersetzen

Lernen Sie die ionokalorische Kühlung kennen: ein neues Verfahren zur Temperatursenkung, das etablierte Methoden zum Kühlen von Gegenständen ersetzen könnte – mit einem sichereren und umweltfreundlicheren Prozess.

Herkömmliche Kühlsysteme führen Wärme aus einem Bereich ab, indem ein Fluid beim Verdampfen zu Gas Wärme aufnimmt. Dieses Gas wird anschließend durch einen geschlossenen Kreislauf transportiert und wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert.

So wirksam dieses Verfahren auch ist: Einige der als Kältemittel eingesetzten Stoffe sind für die Umwelt besonders problematisch.

Ionokalorische Kühlung als Alternative zu Kältemitteln

Ein Stoff kann allerdings auf mehr als eine Weise dazu gebracht werden, Wärmeenergie aufzunehmen und wieder abzugeben.

Ein 2023 vorgestelltes Verfahren, das Forschende des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley, entwickelt haben, nutzt die Energie, die beim Phasenwechsel eines Materials gespeichert oder freigesetzt wird – etwa wenn festes Eis zu flüssigem Wasser wird.

Wird ein Eisblock erwärmt, schmilzt er. Weniger offensichtlich ist, dass dieser Schmelzvorgang seiner Umgebung Wärme entzieht und sie dadurch effektiv abkühlt.

Eis lässt sich auch ohne zusätzliches Erwärmen zum Schmelzen bringen: Dazu können einige geladene Teilchen, also Ionen, hinzugefügt werden. Salz auf Straßen zu streuen, damit sich kein Eis bildet, ist ein verbreitetes Beispiel dafür. Auch der ionokalorische Kreislauf verwendet Salz, um die Phase eines Fluids zu verändern und dessen Umgebung zu kühlen.

„Die Frage nach Kältemitteln ist bislang ungelöst“, sagte der Maschinenbauingenieur Drew Lilley vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien.

„Bisher ist es niemandem gelungen, eine alternative Lösung zu entwickeln, die Dinge kühlt, effizient arbeitet, sicher ist und die Umwelt nicht schädigt. Wir glauben, dass der ionokalorische Kreislauf all diese Ziele erfüllen kann, wenn er richtig umgesetzt wird.“

Die Forschenden modellierten die Theorie des ionokalorischen Kreislaufs, um zu zeigen, dass dieser mit heute verwendeten Kältemitteln konkurrieren oder deren Effizienz sogar übertreffen könnte. Elektrischer Strom würde die Ionen im System bewegen und dadurch den Schmelzpunkt des Materials verschieben, was die Temperatur verändert.

Salz, elektrische Felder und eine Temperaturänderung von 25 Grad Celsius

Das Team führte außerdem Experimente mit einem Salz aus Jod und Natrium durch, um Ethylencarbonat zu schmelzen. Dieses verbreitete organische Lösungsmittel kommt auch in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz und wird unter Verwendung von Kohlendioxid hergestellt. Dadurch könnte das System nicht nur ein GWP [Treibhauspotenzial] von null erreichen, sondern sogar GWP-negativ sein.

Im Versuch wurde durch das Anlegen von weniger als einem Volt eine Temperaturänderung von 25 Grad Celsius (45 Grad Fahrenheit) gemessen. Dieses Ergebnis übertrifft, was andere kalorische Technologien bislang erreicht haben.

„Wir versuchen, drei Dinge in Einklang zu bringen: das GWP des Kältemittels, die Energieeffizienz und die Kosten der Anlage selbst“, sagte der Maschinenbauingenieur Ravi Prasher vom Lawrence Berkeley National Laboratory.

„Schon beim ersten Versuch sehen unsere Daten bei allen drei Aspekten sehr vielversprechend aus.“

Die derzeit in Kühlprozessen eingesetzten Dampfkompressionssysteme sind auf Gase mit hohem GWP angewiesen, darunter verschiedene Fluorkohlenwasserstoffe (HFCs).

Länder, die dem Kigali-Änderungsantrag beigetreten sind, haben sich verpflichtet, Produktion und Verbrauch von HFCs in den kommenden 25 Jahren um mindestens 80 Prozent zu senken. Die ionokalorische Kühlung könnte dabei eine wichtige Rolle spielen.

Vom Labor in kommerzielle Kühlsysteme

Nun müssen die Forschenden die Technologie aus dem Labor in praxistaugliche, kommerziell nutzbare Systeme überführen, die sich problemlos skalieren lassen. Langfristig könnten diese Anlagen nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Heizen eingesetzt werden.

Laufende Untersuchungen erproben unterschiedliche Salze, um herauszufinden, welche Kombinationen Wärme am wirksamsten aus einem Raum ableiten können. 2025 veröffentlichte ein internationales Forschungsteam die Ergebnisse einer Studie zu einer hocheffizienten Variante mit Salzen auf Nitratbasis, die mithilfe elektrischer Felder und Membranen recycelt wurden.

Genau dies hatten Prasher und sein Team als mögliche Folge ihrer Forschung erwartet.

„Wir haben diesen vollkommen neuen thermodynamischen Kreislauf und Rahmen entwickelt, der Elemente aus unterschiedlichen Fachgebieten zusammenführt, und wir haben gezeigt, dass er funktionieren kann“, sagte Prasher.

„Jetzt ist es Zeit für Experimente, um verschiedene Kombinationen aus Materialien und Techniken zu testen und die technischen Herausforderungen zu bewältigen.“

Die Studie wurde in Science veröffentlicht.

Eine frühere Fassung dieses Artikels erschien im Januar 2023.