Mit Fasern Raumtemperatur kühlen

Ein internationales Forscherteam glaubt, dass seine Ergebnisse dazu beitragen können, umweltfreundlichere Möglichkeiten in der Kühltechnik zu entwickeln. Ein Kühlschrank funktioniert ähnlich wie eine Klimaanlage. Man benötigt ein sogenanntes Arbeits- oder Kühlmittel, das im Verdampfer gasförmig wird. Der Verdampfer benötigt dafür Wärme, die er der Luft und den im Kühlschrank befindlichen Lebensmitteln entzieht. Mithilfe eines Kompressors wird der Dampf aus dem Verdampfer abgesaugt und in den Verflüssiger gepresst. Dadurch erhöhen sich Druck und Temperatur des Dampfes. Das sorgt für eine Kondensierung des Arbeitsmittels. Die dabei entstehende Kondensationswärme wird über die Kühlrippen an der Rückwand des Kühlschranks wieder an die Luft abgegeben.

Dieses Standardverfahren hat sich bewährt, ist aber – wie wir inzwischen wissen – relativ energieintensiv. Nach Angaben des britischen „Institute of Refrigeration“ gehen weltweit rund 20 % des Stromverbrauchs auf das Konto von Kälteanlagen. Die in Kühlschränken verwendeten Kältemittel bestehen in der Regel aus Propan und Butan – beides ungiftige Gase. Dennoch können sie beim Entweichen klimaschädliche Folgen haben. Neue technologische Entwicklungen, die es ermöglichen, Kälteanlagen komplett umweltfreundlich herzustellen, hätten also großes Potenzial und eine entsprechende Wirkung. Ein Team aus Nanotech-, Maschinenbau- und Chemieexperten der Universität von Texas in Dallas hat gemeinsam mit Wissenschaftlern der chinesischen Universitäten Nankai, Wulhan und Tsinghua Shenzhen, der Georgia Southern University sowie der University of Campinas in Brasilien nach solch einer Alternative gesucht.

Inspirationsquelle: künstliche Muskeln aus verdrillten Fasern

Dass man bei der Dehnung eines Gummibands Wärme erzeugt und Kälte, wenn es sich wieder entspannt, ist nicht neu. Dieses Prinzip nennt man elastokalorische Kühlung. „Dieses Verhalten von Naturkautschuk ist seit dem frühen 19. Jahrhundert bekannt. Aber um eine hohe Abkühlung durch ein Gummiband zu erzielen, muss eine sehr große Dehnung gelöst werden“, sagt Ray Baughman, Direktor des Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute an der Universität von Texas. Neben diesem Grundprinzip ließ sich das internationale Forscherteam unter der Leitung der Universität von Texas in Dallas und der Nankai Universität in China auch von der Entwicklung künstlicher Muskeln inspirieren, die auf verdrillten Fasersystemen basieren, die sich an- und entspannen können. Für ihre Tests verwendeten sie deshalb Naturkautschuk, den sie mit einer Farbe beschichteten, gewöhnliche Angelschnüre und Nickel-Titan-Draht.

In ihren Versuchen fanden die Wissenschaftler heraus, dass es auf den Grad des Aufwickelns ankommt. Nur, wenn man die Gummifasern so stramm wie möglich wickelte, gelang das Entwickeln mit entsprechendem Tempo. Dadurch entstand eine Oberflächenkühlung von 15,5 Grad Celsius. Bei einer zusätzlichen Dehnung der Gummifasern erreichten sie sogar noch ein Grad mehr. In der nächsten Versuchsreihe stand die Angelschnur aus nicht-elastischem Polymer im Mittelpunkt. Sie drehten sie so weit ein, dass sich eine Art Spule bildete. Beim Ausdrehen entstand eine maximale Oberflächenkühlung von 5,1 Grad. Damit lag die Angelschnur deutlich unter dem Ergebnis mit den Gummifasern. Dafür gelang es ihnen, unter Einsatz der Röntgenkristallografie die molekulare Ebene zu untersuchen. „Wir fanden heraus, dass das Freisetzen von Dehnung aus einer gewickelten Faser zu einer teilweisen Umwandlung einer Phase mit niedriger Entropie in eine mit hoher Entropie führt. Dieser Phasenwechsel bewirkt eine twistokalorische Kühlung“, erklärt Zunfeng Liu, Professor für medizinisch-chemische Biologie an der Nankai-Universität.

Größte Abkühlung durch Nickel-Titan-Drähte

Das beste Ergebnis lieferten die Tests mit Nickel-Titan-Drähten. Bei einem einfachen Draht beobachteten die Forscher eine Temperatur von 17 Grad, bei einem Vierdrahtbündel sogar eine Abkühlung von 20,8 Grad Celsius. Ein dreilagiges Nickel-Titan-Drahtkabel, das sie in ein eigens dafür gebautes Gerät legten, kühlte einen Wasserstrahl um bis zu 7,7 Grad Celsius ab.

In einer weiteren Reihe von Experimenten setzten die Wissenschaftler verschiedene Fasertypen ein, die sie zuvor mit einem thermochromen Lack beschichtet hatten. Dieser Lack kann als Reaktion auf Temperaturschwankungen seine Farbe ändern. Sie eignen sich beispielsweise für den Einsatz in fernlesbaren Dehnungs- und Verdrehungssensoren sowie in der Mode als farbverändernde Textilien.

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