Ionokalorische Kühlung könnte Kältemittel klimafreundlicher machen

Was hinter ionokalorischer Kühlung steckt

Ionokalorische Kühlung ist ein neuer Ansatz, um Temperaturen zu senken – mit dem Potenzial, heutige Kühlverfahren durch einen sichereren und umweltverträglicheren Prozess zu ersetzen.

In klassischen Kühlsystemen wird Wärme aus einem Raum über ein Arbeitsmedium abtransportiert: Eine Flüssigkeit nimmt Wärme auf, indem sie zu einem Gas verdampft. Dieses Gas wird in einem geschlossenen Kreislauf durch Leitungen geführt und anschliessend wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert.

So zuverlässig dieses Prinzip ist, einige der dabei eingesetzten Kältemittel sind für die Umwelt besonders problematisch.

Gleichzeitig gibt es mehrere physikalische Wege, ein Material dazu zu bringen, Wärmeenergie aufzunehmen und wieder abzugeben.

Phasenwechsel als Schlüsselprinzip

Ein 2023 vorgestelltes Verfahren, entwickelt von Forschenden des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley, nutzt aus, dass beim Phasenwechsel eines Materials Energie gespeichert oder freigesetzt wird – etwa wenn festes Eis zu flüssigem Wasser wird.

Sehen Sie sich das Video unten für eine Zusammenfassung an:

Erhöht man die Temperatur eines Eisblocks, schmilzt er. Weniger offensichtlich ist, dass das Schmelzen seiner Umgebung Wärme entzieht – und diese dadurch effektiv abkühlt.

So funktioniert der ionokalorische Zyklus mit Salzen

Eis lässt sich auch ohne zusätzliches Erhitzen zum Schmelzen bringen, wenn man einige geladene Teilchen – also Ionen – hinzugibt. Ein alltagsnahes Beispiel ist das Streuen von Salz auf Strassen, um Eisbildung zu verhindern.

Genau dieses Prinzip greift der ionokalorische Zyklus auf: Auch hier wird Salz eingesetzt, um den Phasenwechsel einer Flüssigkeit auszulösen und damit die Umgebung abzukühlen.

„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 funktioniert, sicher ist und die Umwelt nicht schädigt. Wir glauben, dass der ionokalorische Zyklus das Potenzial hat, all diese Ziele zu erreichen – wenn er entsprechend umgesetzt wird.“

Um das zu untermauern, modellierten die Forschenden die Theorie des ionokalorischen Zyklus und zeigten, wie das Verfahren mit der Effizienz heute genutzter Kältemittel konkurrieren – oder diese sogar übertreffen – könnte. Ein elektrischer Strom im System würde die Ionen bewegen; dadurch verschiebt sich der Schmelzpunkt des Materials, was wiederum die Temperatur verändert.

Experimente, Effizienz und GWP-Bilanz

Zusätzlich führte das Team Experimente durch: Mit einem Salz aus Iod und Natrium wurde Ethylencarbonat zum Schmelzen gebracht. Dieses verbreitete organische Lösungsmittel wird auch in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt und unter Verwendung von Kohlendioxid als Ausgangsstoff hergestellt. Dadurch könnte das System nicht nur GWP- (Erderwärmungspotenzial-)neutral sein, sondern sogar GWP-negativ.

In dem Experiment wurde durch das Anlegen von weniger als einem einzigen Volt Ladung eine Temperaturverschiebung von 25 °C (Temperaturdifferenz; 45 °F) gemessen – ein Wert, der das übertrifft, was andere kalorische Technologien bislang erreicht haben.

„Wir versuchen drei Dinge auszubalancieren: 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 in allen drei Punkten sehr vielversprechend aus.“

Die heute in Kühlprozessen verbreiteten Dampfkompressionssysteme sind auf Gase mit hohem GWP angewiesen, beispielsweise verschiedene Fluorkohlenwasserstoffe (HFCs).

Staaten, die den Kigali-Zusatz unterzeichnet haben, haben sich verpflichtet, Produktion und Verbrauch von HFCs in den kommenden 25 Jahren um mindestens 80 Prozent zu senken – und ionokalorische Kühlung könnte dabei eine wichtige Rolle spielen.

Als Nächstes muss die Technik aus dem Labor in praxistaugliche Systeme überführt werden, die kommerziell einsetzbar sind und sich ohne Probleme hochskalieren lassen. Langfristig könnten solche Anlagen nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Heizen genutzt werden.

Parallel dazu prüfen laufende Untersuchungen unterschiedliche Salze, um herauszufinden, welche Kombinationen Wärme besonders effektiv aus einem Raum ziehen. 2025 veröffentlichte ein internationales Forschungsteam Ergebnisse zu einer hocheffizienten Variante mit nitratbasierten Salzen, die mithilfe elektrischer Felder und Membranen recycelt werden.

Genau diese Entwicklung hatten Prasher und sein Team als möglichen nächsten Schritt ihrer Arbeit erwartet.

„Wir haben einen völlig neuen thermodynamischen Zyklus und ein Rahmenwerk, das Elemente aus verschiedenen Feldern zusammenführt, und wir haben gezeigt, dass es funktionieren kann“, sagte Prasher.

„Jetzt ist es Zeit für Experimente, um unterschiedliche Kombinationen aus Materialien und Techniken zu testen und die ingenieurtechnischen Herausforderungen zu bewältigen.“

Die Forschung wurde in Science veröffentlicht.

Eine frühere Version dieses Artikels wurde im Januar 2023 veröffentlicht.