Der Kühlschrank von morgen: Kälte erzeugen mit Festkörpern

Physik-News vom 11.11.2023

Die Kompressortechnik, mit der heutige Kühlschränke arbeiten, wurde vor mehr als einem Jahrhundert erfunden. „Natürlich wurde die Technik im Lauf der Jahre optimiert“, sagt Daniel Hägele von der Ruhr-Universität Bochum. „Aber zuletzt bestanden die Verbesserungen bei den Energieeffizienzklassen eher in Anpassungen wie dichteren Türen.“ Dabei sind auch komplett andere Techniken zur Erzeugung von Kälte denkbar – etwa basierend auf dem kalorischen Effekt, den Hägeles Team weltweit am schnellsten messen kann.

Der kalorische Effekt beschreibt die Tatsache, dass manche festen Materialien mit einer Temperaturveränderung reagieren, wenn man sie in ein elektrisches Feld oder Magnetfeld einbringt. Für die besonders schnelle Messung des Effekts hat die Bochumer Arbeitsgruppe Spektroskopie der kondensierten Materie selbst einen Versuchsaufbau entwickelt. Das Wissenschaftsmagazin Rubin der Ruhr-Universität Bochum berichtet über diese Arbeit.

Mit einem speziellen Infrarot-Detektor messen die Forschenden Temperaturveränderungen von Feststoffen. Der Detektor muss mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

© Damian Gorczany

Die Forschenden befassen sich vor allem mit dem elektrokalorischen Effekt, also den Temperaturveränderungen, die Festkörper durch elektrische Felder erfahren. „Wir können Veränderungen von einem Tausendstel Grad in einer Tausendstel Sekunde detektieren – so schnell kann das sonst niemand“, beschreibt Doktorand Jan Fischer die Besonderheit des Bochumer Ansatzes.

Schnell sein lohnt sich

Dass die Gruppe sich für diese winzigen Veränderungen interessiert, mag auf den ersten Blick paradox erscheinen. „Eigentlich suchen wir Materialien mit möglichst großen Temperatureffekten“, gibt Hägele zu. „Aber manchmal muss man klein anfangen.“ Die kleinen Veränderungen auf der Zeitskala verraten den Forschern viel über die grundlegenden Prozesse, die zu den Temperaturveränderungen in den Feststoffen führen. Hinzu kommt, dass Materialien, die schnell ihre Temperatur ändern können, für die Anwendung besonders interessant wären. „In einem kalorischen Kühlprozess wird die Wärme päckchenweise abtransportiert“, erklärt Jörg Rudolph, ebenfalls Mitglied der Bochumer Arbeitsgruppe. „Für die Effizienz ist es von Vorteil, wenn man die Wärmepäckchen schnell hintereinander wegschaffen kann.“

Die Kühlung basierend auf dem kalorischen Effekt ist dabei ein mehrstufiger Prozess. Denn in der Regel schafft ein Material auf einen Schlag nur eine Abkühlung von drei bis vier, maximal sechs Grad Celsius. Ein Kühlsystem könnte aber aus mehreren Kammern bestehen, an deren Übergängen jeweils eine Abkühlung um einige Grad erfolgt, sodass insgesamt eine ausreichend große Kühlung erzielt würde.

Potenziell effizienter als etablierte Techniken

Anders als bei herkömmlichen Kühlschränken würde die Kälte dann nicht mehr mithilfe eines Gases oder einer Flüssigkeit erzeugt, sondern mit einem festen Material. „Einen Festkörper zu verwenden ist von Vorteil, weil darin mehr Atome pro Kubikzentimeter vorliegen“, erklärt Hägele. „Damit ließen sich kompaktere Kühlgeräte bauen.“ Und potenziell auch effizientere.

Diese Newsmeldung wurde mit Material der Ruhr-Universität Bochum via Informationsdienst Wissenschaft erstellt.

Der Kühlschrank von morgen: Kälte erzeugen mit Festkörpern