Vor dem modernen Kühlschrank mussten gefrorene Wasserbrocken über weite Strecken transportiert werden. Heutzutage ist das Abkühlen von Speisen viel einfacher. Der moderne Kühlschrank nutzt ein geschlossenes Kreislaufsystem aus mit Kältemitteln gefüllten Rohren, um Wärme aufzunehmen und abzustrahlen. Es handelt sich um eine bewährte Methode, die gut funktioniert – solange Ihnen der enorme Energieverbrauch oder die damit verbundenen umweltschädlichen Chemikalien nichts ausmachen. Aber es gibt immer Raum für Innovation.
Im Jahr 2023 entwickelten Wissenschaftler aus Berkeley ein neues Kühlsystem, das an die alten Zeiten erinnert, in denen Wassereis zum Kühlen von Lebensmitteln verwendet wurde. Der in Science veröffentlichte Artikel nennt die Methode den „ionokalorischen Kühlkreislauf“ und nutzt die thermodynamischen Eigenschaften der Phasenänderungen von Wasser. Wenn Eis zu Flüssigkeit schmilzt, nimmt es Wärme aus seiner Umgebung auf. Wenn flüssiges Wasser zu Eis gefriert, gibt es Wärme ab. Wenn Sie also Eis in einem Behälter zum Schmelzen bringen und es dann außerhalb des Behälters wieder gefrieren lassen könnten, würden Sie den Inhalt des Behälters effektiv kühlen.
Aber wie bringt man Eis im Kühlschrank zum Schmelzen? Die Forscher fanden eine clevere Lösung: Fügen Sie einige geladene Ionen hinzu. Wenn dem Wasser Ionen oder Salze zugesetzt werden, bewirken diese Salze eine Senkung des Gefrierpunkts des Wassers. Aus dem gleichen Grund gefriert Meerwasser bei 28 Grad Fahrenheit statt bei 32 Grad. Deshalb entwarf das Team ein Kühlschrankmodell, das elektrischen Strom nutzt, um dem Wasser Ionen hinzuzufügen, wenn es sich in einem Behälter befindet, und die Ionen zu entfernen, wenn es sich außerhalb des Behälters befindet. Auf diese Weise kann das Wasser zu einer Flüssigkeit schmelzen, um einige Grad innere Wärme zu absorbieren, und dann fest werden, um die Wärme nach außen abzustrahlen. Der Prozess ist eine Art Balanceakt, könnte sich aber als umweltfreundliche Alternative zur modernen Kühlung erweisen.
Die Umweltvorteile der ionokalorischen Kühlung
In einem Interview mit der Publikation „News from Berkeley Lab“ erklärte der Co-Autor des Papiers, Ravi Prasher, dass das Projekt drei Ziele für die Kühlung verfolgte: seine Kosten senken, seine Energieeffizienz erhöhen und sein globales Erwärmungspotenzial senken. Offensichtlich könnte das neue Kühlschrankmodell äußerst kostengünstig sein, da es auf gängige Zutaten setzt. Für die Experimente des Teams wurden gereinigtes Wasser, Jod und Natrium verwendet – Zutaten, die man in einem Lebensmittelgeschäft finden kann.
Auch das System zur Zugabe und Entfernung der Ionen aus dem Wasser könnte energieeffizient sein. In ersten Versuchen konnten die Forscher die Temperatur bereits mit 0,22 Volt um 25 Grad Celsius verändern. Obwohl das Modell noch nicht in einen funktionierenden Kühlschrank eingebaut wurde, sind solch niedrige Energieanforderungen durchaus vielversprechend als Ersatz für die energiehungrigen Kühlschränke, die wir heute verwenden.
Aber bei der Stromrechnung zu sparen ist eine Sache, den Planeten vor der globalen Erwärmung zu retten eine andere. Der Kältesektor, zu dem auch Klimaanlagen und Wärmepumpen gehören, ist für fast 8 % aller globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Ein Teil davon stammt aus der Erzeugung der Energie, die für den Betrieb erforderlich ist. Ein energieeffizienterer Kühlschrank würde also die Treibhausgasemissionen reduzieren. Besser noch: Das Modell des Teams verwendet Salz und Wasser anstelle der Fluorkohlenwasserstoffgase (HFC), die wir heute in den meisten Kühlschränken verwenden. HFKW wie R134a und R410a sind starke Treibhausgase, die häufig aus entsorgten Kühlschränken und Produktionsanlagen austreten. Das Team experimentierte sogar mit der Zugabe von Ethylencarbonat zum System, das wie Haushaltsnatriumcarbonat bei seiner Herstellung Kohlendioxid verbraucht. Das bedeutet, dass Kühlschränke der Zukunft möglicherweise nicht nur den CO2-Ausstoß reduzieren, sondern möglicherweise sogar Kohlenstoff aus der Luft ziehen.
