Warum Kühlschränke dringend ein Upgrade brauchen

Kühlschränke gehören in jede Küche und haben den Alltag von uns Menschen revolutioniert. Denn dadurch konnten Lebensmittel verlässlich frisch gehalten werden. Seit der Erfindung des Kühlschranks im Jahr 1850 basiert dieses Alltagsgerät jedoch auf demselben Prinzip. 

Aber braucht es überhaupt eine Neuerung? Forscher aus China sagen ja und haben einen passenden Vorschlag. Die Rede ist von thermogalvanischen Zellen, einer Technik, die Wärme in Strom umwandeln kann. Wird der Prozess, den sie dazu nutzt, umgedreht, kann sie aber auch kühlen. Durch weitere Optimierung soll so ein neues Kühlsystem entstehen, das nicht nur in Kühlschränken, sondern auch in Klimaanlagen und Datenzentren zum Einsatz kommt.

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Der Kühlschrank von Heute 

Die am häufigsten eingesetzte Kühltechnik beruht auf Dampfkompression. Dabei wird ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf immer wieder verändertem Druck ausgesetzt, wodurch dem Kühlschrank Wärme entzogen wird.

Andrey Prokofiev, Professor an der Technischen Universität Wien, erklärt das so: „Im normalen Kühlschrank komprimieren wir ein Gas unter hohem Druck, so dass das Gas flüssig wird. Dabei wird viel Wärme an die Umgebung abgegeben. Dann lassen wir die abgekühlte Flüssigkeit unter niedrigerem Druck verdampfen, wodurch viel Wärme aufgenommen wird.”

Die Kühlmittel als Problem

Kältemittel sind seit langem ein Umweltproblem. In den 70er-Jahren führten die damals verwendeten Kühlmittel zum Abbau der Ozonschicht. Mit dem Protokoll von Montreal, das von mehr als 200 Staaten unterzeichnet wurde, sind diese Stoffe verboten worden. Aber auch ihre Nachfolger verursachen Probleme.

Sie zerstören zwar nicht die Ozonschicht, tragen aber erheblich zur Klimakrise bei. Ihr Treibhauspotenzial kann bis zu 1000-mal größer sein als das von Kohlendioxid, heißt es in einem Bericht des Weltklimarates. 

Kühlung ist somit insgesamt für 7,8 Prozent der globalen Treibhausgase verantwortlich, heißt es in einer Studie, die im Fachjournal Science veröffentlicht wurde. Zwar wird auch an umweltfreundlicheren Kühlmitteln geforscht, die meisten haben jedoch andere Nachteile, wie eine hohe Entflammbarkeit, Giftigkeit oder sie sind sehr teuer.

Thermogalvanische Zellen als Lösung? 

Das ist ein Problem, denn die Nachfrage nach Kühlung wird weiter steigen. Vor allem in Zeiten der Klimakrise und nicht nur, weil es Kühlschränke oder Klimaanlagen braucht, sondern auch weil Datenzentren gekühlt werden müssen. Eine Lösung könnten die thermogalvanischen Zellen sein. 

Im Prinzip funktioniert dieses System wie eine Batterie: „Der Unterschied zu normalen Batterien besteht darin, dass die Elektroden und der Elektrolyt die gleiche Zusammensetzung haben. Der Strom entsteht hier durch den Temperaturunterschied zwischen 2 Elektroden mit dem umgebenden Elektrolyten”, sagt Prokofiev.

Effizientere Kühlung 

Dreht man den Prozess um, kann man thermogalvanische Zellen zur Kühlung nutzen. „Wenn man die 2 Elektroden mit einer Stromquelle verbindet, erzeugt jetzt der Strom die Temperaturdifferenz zwischen 2 Kammern der Zelle”, schildert Prokofiev. Mit einer Pumpe kann die Wärme dann von einer Seite entzogen und zur anderen Seite transportiert werden, wodurch die Kühlwirkung entsteht.

Dass man den Prozess umdrehen kann, war bereits bekannt. Doch bisher waren die elektrochemischen Kühlsysteme zu ineffizient. Bis jetzt. Denn die Forscher aus China haben ein paar Änderungen vorgenommen und konnten die Kühlleistung so um 70 Prozent, verglichen mit bisherigen thermogalvanischen Zellen, erhöhen. Das ist ihnen gelungen, weil sie ein anderes Salz im Elektrolyten verwendet haben. 

Sie haben zudem verschiedene Elektrolyte getestet, also Stoffe, die elektrischen Strom leiten können. Dabei haben sie entdeckt, dass das Lösungsmittel Acetonitril am besten geeignet ist, weil es die größte Kühlwirkung hat. 

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Der Durchbruch der Kühltechnologie? 

„Im Vergleich zu früheren thermogalvanischen Zellen stellt diese Studie einen Durchbruch dar”, betont Prokofiev. Von der bisherigen erreichten Abkühlung um 0,1 Celsius haben die Autoren einen Temperaturunterschied von 1,42 Celsius erreicht. „Das ist zwar um mehr als eine Größenordnung besser, aber noch weit entfernt von der praktischen Anwendung”, ordnet Prokofiev ein.

Ein Autor der Studie ist überzeugt: „Die thermogalvanische Technologie ist auf dem Weg in unser Leben, entweder in Form von sauberer Elektrizität oder stromsparender Kühlung“, sagt Jiangjian Duan. Er gibt aber zu, dass es noch weitere Forschung braucht. Das Ziel ist, dass Kühlschränke, Klimaanlagen und Kühlsysteme, die zukünftig so ein System nutzen, effizienter sind als ein System mit Dampfkompression -  also für die gleiche Menge an Kühlleistung weniger Strom benötigen.

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Großes Potenzial 

Auch Prokofiev ist von den Vorteilen thermogalvanischer Zellen überzeugt: „Sie sind sehr billig herzustellen, die Materialien sind nicht giftig und besser für die Atmosphäre. Außerdem ist eine thermogalvanische Zelle sehr kompakt.”

Für eine breite praktische Anwendung sei es dennoch zu früh. „Die Studie zeigt aber das Potenzial dieser Forschung. Wenn die Fortschritte so groß sind wie in der Studie, ist der Erfolg nicht mehr weit”, fasst der TU-Forscher zusammen.

Die Studie erschien im Journal Joule und wurde von Wissenschaftlern der chinesischen Huazhong University of Science and Technology veröffentlicht.