Kälte aus dem Kristall

Kühlen mit Festkörpern bietet einige Vorteile gegenüber der klassischen Kompression und Ausdehnung von flüssigen Kühlmitteln. Sie können bis auf kleinste Kühlkörper etwa für Computerchips skaliert werden, klimaschädliche Kühlmittel überflüssig machen und eine hohe Effizienz erreichen. Je nach Material werden dazu der magneto­kalorische, elektro­kalorische oder auch elasto­kalorische Effekt genutzt. Doch die dazu verwendeten Substanzen sind bisher oft nicht haltbar genug oder arbeiten in wenig anwendungs­nahen Temperatur­bereichen. Ein internationales Team von Material­forschern aus China, Japan und den USA schlägt nun eine Kühlung mit plastischen Kristallen, die einen verblüffend starken baro­kalorischen Effekt zeigen, als Alternative vor.

Beim baro­kalorischen Effekt wird Wärme während eines Phasenwechsels eines Materials mit der Umgebung ausgetauscht. „Und dieser baro­kalorische Effekt bietet eine vielver­sprechende Alternative zu konventionellen Kompressions­kreisläufen“, sagt Bing Li vom Shenyang National Laboratory for Materials Science. Zusammen mit seinen Kollegen analysierte Li eine Reihe von organischen Substanzen, die plastisch verformbare Kristalle bilden. Für weitere Untersuchungen wählten sie exemplarisch den vollsynthetischen, mehrwertigen Alkohol Neopentyl­glykol, der heute als Zusatz in der Kunststoff­produktion genutzt wird.

Mit einem Schmelzpunkt bei 128 Grad Celsius liegt Neopentyl­glykol bei Raumtemperatur als Festkörper vor. Knapp unterhalb der Raumtemperatur bilden die organischen Moleküle in diesem Festkörper eine ungeordnete Struktur. Diesen plastischen Kristall pressten die Forscher mit relativ geringen Drücken von bis zu 45 Megapascal zusammen. Struktur­analysen – basierend auf Röntgen­beugung und Neutronen­streuung – offenbarten, dass sich die Moleküle unter Druck über Drehbewegungen zu einer geordneten, kristall­artigen Struktur umlagerten. Dabei erwärmte sich das Material. Nachdem diese Wärme abgeführt und der Druck wieder reduziert wurde, wechselte der plastische Kristall wieder zu seiner ursprüng­lichen, molekularen Unordnung.

Bei diesem Prozess ermittelten die Forscher eine verblüffend starke Kühlung von bis zu fünfzig Kelvin. Physikalisch beruht diese große Kühlwirkung auf der variablen Entropie des Materials. Thermo­dynamisch steigt die Entropie eines Systems an, je weniger Ordnung vorliegt. Über das Zusammenpressen des plastischen Kristalls konnten die Forscher die Ordnung erhöhen und die Entropie drastisch reduzieren. Mit 389 Joule pro Kilogramm und Kelvin zeigte es einen deutlich größeren baro­kalorischen Effekt als viele andere bisher untersuchte Materialien. Ohne äußeren Druck stieg die Unordnung in der molekularen Struktur an und die Entropie nahm zu. Parallel kühlte das Material ab und konnte Wärme aus einem zu kühlenden Reservoir aufnehmen.

Diese Versuche belegen, dass plastische Kristalle aus Neopentyl­glycol ein großes Potenzial für eine effiziente Festkörper­kühlung aufweisen. Je nach Größe könnte es für kleine Computerchips oder auch in großen Kühlschränken genutzt werden. Zudem ist die Substanz günstig herstellbar. Bevor erste Kühlschränke mit plastischen Kristallen entstehen, müssen aber noch einige Hürden genommen werden. So nimmt die Kühlwirkung mit der Anzahl der Phasenwechsel wegen uner­wünschter Hysterese-Effekte ab. Auch gilt es, die Stabilität der plastischen Kristalle für lange Zeiträume zu optimieren.

Bing Li ist zuversichtlich, diese Probleme mit Neopentylglykol selbst oder auch chemisch leicht veränderten Substanzen lösen zu können. Genauere Analysen zur Energie­effizienz der Festkörper­kühlung über den baro­kalorischen Effekt könnten dann folgen. Das Potenzial ist gewaltig. Denn heute benötigen Kühlschränke und Klimaanlagen ein gutes Viertel der globalen Stromproduktion. Zudem könnte die Produktion und Entsorgung von herkömmlichen, klima­schädlichen Kühlmitteln überflüssig werden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Bing Li et al.: Colossal barocaloric effects in plastic crystals, Nature 567, 506 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1042-5
• Shenyang National Laboratory for Materials Science, Shenyang, China

JOL