Ionokalorische Kühlung könnte herkömmliche Kältemittel ersetzen

Die ionokalorische Kühlung ist ein neuer Ansatz zur Temperatursenkung. Sie könnte bestehende Verfahren zum Kühlen ersetzen – durch einen Prozess, der sicherer ist und die Umwelt weniger belastet.

Herkömmliche Kühlsysteme leiten Wärme aus einem Bereich ab, indem sie ein Fluid einsetzen: Dieses nimmt beim Verdampfen zu Gas Wärme auf, wird anschliessend durch ein geschlossenes Rohrsystem transportiert und dort wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert.

So wirksam dieses Verfahren auch ist, einige der bevorzugt als Kältemittel verwendeten Stoffe sind für die Umwelt besonders problematisch.

Ionokalorische Kühlung als Alternative zu herkömmlichen Kältemitteln

Es gibt allerdings mehrere Möglichkeiten, einen Stoff dazu zu bringen, 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 bei einem 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 zusätzliche Erwärmung zum Schmelzen bringen, indem einige geladene Teilchen, also Ionen, hinzugefügt werden. Das Streuen von Salz auf Strassen, damit sich kein Eis bildet, ist ein alltägliches Beispiel dafür. Auch der ionokalorische Kreislauf verwendet Salz, um die Phase einer Flüssigkeit zu verändern und die Umgebung zu kühlen.

„Die Landschaft der Kältemittel ist ein ungelöstes Problem“, sagte der Maschinenbauingenieur Drew Lilley vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien.

„Niemand hat bislang erfolgreich eine alternative Lösung entwickelt, die Dinge kalt macht, effizient arbeitet, sicher ist und die Umwelt nicht schädigt. Wir glauben, dass der ionokalorische Kreislauf das Potenzial hat, all diese Ziele zu erfüllen, wenn er angemessen umgesetzt wird.“

Die Forschenden modellierten die Theorie des ionokalorischen Kreislaufs, um zu zeigen, wie dieser mit heutigen Kältemitteln konkurrieren oder deren Effizienz sogar übertreffen könnte. Ein durch das System fliessender Strom würde die darin enthaltenen Ionen bewegen und damit den Schmelzpunkt des Materials verschieben, wodurch sich die Temperatur verändert.

Versuchsergebnisse mit Salz und Ethylencarbonat

Das Team führte zudem Experimente mit einem Salz aus Iod 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 Treibhauspotenzial (GWP, Global Warming Potential) von null erreichen, sondern sogar ein negatives GWP.

Im Experiment wurde durch das Anlegen von weniger als einem Volt Spannung eine Temperaturveränderung von 25 Grad Celsius (45 Grad Fahrenheit) gemessen. Dieses Ergebnis übertrifft, was andere kalorische Technologien bislang erreichen konnten.

„Wir versuchen, drei Dinge in Einklang zu bringen: das GWP des Kältemittels, die Energieeffizienz und die Kosten der Ausrüstung 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 sich der Kigali-Änderung angeschlossen haben, verpflichteten sich dazu, Produktion und Verbrauch von HFCs innerhalb der nächsten 25 Jahre um mindestens 80 Prozent zu senken. Die ionokalorische Kühlung könnte dabei eine wichtige Rolle spielen.

Vom Labor zur kommerziellen Anwendung

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

In laufenden Untersuchungen werden unterschiedliche Salze getestet, um herauszufinden, welche Kombinationen Wärme am wirksamsten aus einem Bereich abführen können. 2025 veröffentlichte ein internationales Forschungsteam die Ergebnisse einer Studie zu einer hocheffizienten Variante mit nitrathaltigen Salzen, die mithilfe elektrischer Felder und Membranen wiederverwendet wurden.

Genau zu dieser Entwicklung hatten Prasher und sein Team erwartet, dass ihre Forschung führen würde.

„Wir verfügen über einen völlig neuen thermodynamischen Kreislauf und Rahmen, der Elemente aus verschiedenen Fachgebieten zusammenführt, und wir haben gezeigt, dass er funktionieren kann“, sagte Prasher.

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

Die Forschung wurde in Science veröffentlicht.

Eine frühere Version dieses Artikels erschien im Januar 2023.