Wissenschaftler entdecken neue und bessere Kühlmethode

Das Verschütten von Salz auf der Straße vor einem Wintersturm verändert den Zeitpunkt, zu dem Vereisung auftritt. Jetzt haben Forscher des National Lawrence Berkeley Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums dieses grundlegende Konzept angewendet, um eine neue Methode zum Heizen und Kühlen zu entwickeln.

Die Methode, die sie “ionokalorische Kühlung” nennen, wird in einem vor zwei Wochen in Science veröffentlichten Artikel beschrieben.

DAS NEUE SYSTEM KANN DAS ALTE ERSETZEN

Die ionokalorische Kühlung nutzt die Art und Weise, wie Energie oder Wärme gespeichert oder abgegeben wird, wenn eine Substanz ihren Zustand ändert (z. B. von festem Eis zu flüssigem Wasser). Wenn eine Substanz geschmolzen wird, wird die Wärme um die Substanz herum absorbiert, und wenn die Substanz erstarrt, wird Wärme freigesetzt. Dieser ionokalorische Zyklus bewirkt, dass sich die betreffende Zustands- und Temperaturänderung durch den Fluss von Ionen (elektrisch geladene Atome oder Moleküle) aus dem Salz ändert.

Laut der in Popular Science Turkish zitierten Studie hoffen die Forscher, dass diese Methode eines Tages die heute verwendeten “Dampfkompressions” -Systeme durch effektives Heizen und Kühlen ersetzen wird.

Während mehr als die Hälfte der in Haushalten verbrauchten Energie zum Heizen und Kühlen verwendet wird, werden Gase mit hohem Treibhauspotenzial als Kältemittel in Dampfkompressionssystemen verwendet. Durch den Ersatz solcher Gase durch feste und flüssige Komponenten mit ionokalorischer Kühlung wird die Gefahr des Entweichens dieser Gase in die Atmosphäre beseitigt.

„Kältemittel sind ein ungelöstes Problem“, sagt Drew Lilley, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Berkeley Lab und Doktorand an der University of California, Berkeley, der die Studie leitete. „Bisher ist es noch niemandem gelungen, eine alternative Lösung zu entwickeln, die kühlt, effizient arbeitet, sicher ist und die Umwelt nicht belastet. Wir glauben, dass der ionokalorische Zyklus das Potenzial hat, all diese Ziele zu erreichen, wenn er richtig umgesetzt wird.“

Für Länder wie die, die die Kigali-Änderung verabschiedet haben, um ihre Klimaschutzziele zu erreichen, muss eine Lösung gefunden werden, um die heute verwendeten Kältemittel zu ersetzen (die Änderung wurde im Oktober 2022 mit 145 Parteien, einschließlich der Vereinigten Staaten, vereinbart).

Das Abkommen verspricht, die Produktion und den Verbrauch von Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW) in den nächsten 25 Jahren um mindestens 80 Prozent zu reduzieren. HFCs, starke Treibhausgase, die häufig in Kühlschränken und Klimaanlagen vorkommen, können Wärme tausendmal effektiver einfangen als Kohlendioxid.

Der neue ionokalorische Zyklus gehört zu mehreren anderen Arten der „kalorischen“ Kühlung, die bereits entwickelt werden. Bei diesen Techniken, die verschiedene Methoden verwenden, darunter Magnetismus, Druck, Dehnung und elektrische Felder, werden feste Materialien manipuliert, um Wärme zu absorbieren oder abzugeben.

Während die ionokalorische Kühlung Zustandsänderungen von fest nach flüssig bewirkt, unterscheidet sie sich von anderen darin, dass sie Ionen verwendet. Die Verwendung von Flüssigkeit hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Substanz pumpfähig wird, wodurch es einfacher wird, Wärme in das System einzubringen oder aus diesem zu entfernen. Festkörperkühlung ist in dieser Hinsicht schwierig.

Der Co-Autor des Artikels, Ravi Prasher, Forschungsstipendiat des Lilley and Berkeley Lab in Energietechnologie und Gastprofessor für Maschinenbau an der UC Berkeley, legt die Theorie dar, die dem ionokalorischen Zyklus zugrunde liegt. Nach den Berechnungen der Wissenschaftler hat das Verfahren das Potenzial, mit den heute in den meisten Anlagen vorhandenen Gaskühlern in ihrer Effizienz mitzuhalten oder diese sogar zu übertreffen.

Die Forscher demonstrierten die Methode auch experimentell. In diesem Zusammenhang stellte Lilley ein Salz her, indem er Ethylencarbonat, ein organisches Lösungsmittel, das üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, sowie Jod und Natrium verwendet.

„Es gibt Potenzial, Kühler herzustellen, die nicht nur ein GWP von null, sondern auch ein negatives GWP haben“, sagt Lilley. „Die Verwendung eines Materials wie Ethylencarbonat kann tatsächlich CO2-negativ sein, da bei seiner Herstellung Kohlendioxid als Input verwendet wird. Somit haben wir die Möglichkeit, CO2 durch Carbon Capture zu nutzen.“

Wenn Strom durch das System fließt, bewegen sich die Ionen und der Schmelzpunkt des Materials ändert sich. Wenn das Material schmilzt, entzieht es seiner Umgebung Wärme, und wenn die Ionen entfernt werden, verfestigt sich das Material und gibt die Wärme zurück. Im ersten Experiment wurde eine Temperaturänderung von 25 Grad Celsius mit einer Stromstärke von weniger als einem Volt erreicht, was größer ist als bei anderen kalorischen Methoden.

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