Wissenschaftler:innen des KIT haben Fortschritte und Herausforderungen kalorischer Kühltechnologien analysiert – und zeigen, welche Schritte zur Marktreife noch nötig sind.
Mit steigenden Temperaturen und wachsendem Energiebedarf für Kühlung suchen Wissenschaftler:innen weltweit nach Alternativen zu konventionellen Kühlsystemen. Kalorische Kühlung, die feste Materialien statt gasförmiger Kältemittel verwendet, gilt als eine nachhaltige Option. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter der Leitung von Dr. Jingyuan Xu haben in einer aktuellen Übersicht, veröffentlicht in Nature Energy, den Stand der kalorischen Kühltechnologien untersucht.
KIT / Markus Brieg
Kalorische Kühlung als klimafreundliche Alternative
Konventionelle Dampfkompressionssysteme, die gasförmige Kältemittel verwenden, dominieren derzeit den Markt. Diese Kältemittel haben oft ein hohes Treibhausgaspotenzial und tragen bei Leckagen zur Erderwärmung bei. Kalorische Systeme dagegen nutzen Materialien, die sich unter äußerer Einwirkung – etwa durch magnetische oder elektrische Felder, Druck oder Zug – erwärmen und abkühlen. Der Temperatursprung ermöglicht es, Wärme aufzunehmen und abzugeben, ähnlich wie in herkömmlichen Kühlsystemen.
Dr. Jingyuan Xu, Leiterin der Forschungsgruppe „ZEco Thermal Lab“ am KIT, betont die Vorteile dieser Technik: „Kalorische Kühlung kommt ohne klimaschädliche Kältemittel aus und kann dazu beitragen, den Energieverbrauch zu senken.“
Kun Wang et al.
Fortschritte und Herausforderungen bei Prototypen
Die Studie zeigt, dass kalorische Kühlsysteme zunehmend über Labordemonstrationen hinausgehen. So erreichen magnetokalorische Prototypen inzwischen Kühlleistungen von über drei Kilowatt, was sie für größere Anwendungen interessant macht. Mechanisch angetriebene Systeme überschreiten die Ein-Kilowatt-Marke, während kleinere, elastokalorische oder elektrokalorische Systeme unter zehn Watt bleiben und sich für den Einsatz bei Wearables, Chips oder Sensoren eignen könnten.
Dennoch gibt es technische Hürden. Dr. Kun Wang, Erstautor der Studie, erklärt: „Große Temperaturänderungen im Material allein reichen nicht. Entscheidend ist, wie viel von diesem Effekt auf Geräteebene ankommt und wie effizient der Kühlzyklus arbeitet.“ Leistungsverluste durch Wärmeverluste, Materialermüdung und unvollständig zurückgewonnene Energie im Kühlzyklus sind zentrale Herausforderungen.
Roadmap für die Anwendung
Damit kalorische Systeme den Weg in den Alltag finden, bedarf es weiterer Entwicklungen. Laut den Forschenden müssen die Geräte viele Millionen Zyklen stabil arbeiten und Wärme effizient aufnehmen sowie abgeben können. Wichtig sind zudem standardisierte Tests und Demonstratoren, um die Praxistauglichkeit zu prüfen.
Dr. Xu sieht die Technologie zunächst in spezifischen Anwendungen: „Kalorische Systeme sind besonders dort interessant, wo klassische Kühltechnik an ihre Grenzen stößt – etwa bei sehr leisen Geräten oder bei der Vermeidung von Kältemitteln mit starker Klimawirkung.“
Obwohl kalorische Kühlsysteme die etablierten Technologien noch nicht flächendeckend ersetzen können, zeigen die Fortschritte, dass sie eine vielversprechende Alternative darstellen – insbesondere in Bereichen, die hohe Umweltanforderungen verlangen. ■
Quelle: KIT / fl
