Kühlen durch thermische Kopplung mit dem All

In sternenklaren Nächten gibt die Erde mehr Wärme an den Welt­raum ab als an Tagen mit einer isolie­renden Wolken­decke. Diesen Kühl­effekt durch das Infra­rot-Fenster der Atmo­sphäre zwischen 8 und 13 Mikro­meter Wellen­länge nutzen jetzt Forscher der Stan­ford Univer­sity in den USA für ein ausge­klü­geltes Kühl­system. Mit ihrem Proto­typ erreichten sie eine Abküh­lung von bis zu 42 Grad unter der Umge­bungs­tempe­ratur. Die Forscher halten es für mög­lich, dass auf Basis ihrer Ergeb­nisse spar­same und passive Kühl­systeme etwa für eine Gebäude­klima­tisie­rung ent­wickelt werden könnten.

„Ein solcher Kühler muss thermisch von allem ent­koppelt werden außer vom Welt­raum“, erläu­tert Zhen Chen von der Stan­ford Univer­sity die wich­tig­ste Voraus­setzung für das Kühl­system. Erst dann könne die Wärme durch die Atmo­sphäre der Erde, die für Wärme­strah­lung zwischen 8 und 13 Mikro­meter Wellen­länge durch­lässig ist, bis ins All abge­geben werden. Zusammen mit seinen Kollegen konstru­ierte Chen einen Welt­raum-Kühler, der auf einer guten Iso­lie­rung und einem selek­tiv für Wärme­strah­lung durch­läs­sigen Material basiert.

Für ihr Experiment griffen Chen und seine Kollegen zu einer kleinen Vakuum­kammer aus einem etwa zehn Zenti­meter durch­mes­senden Edel­stahl­zylinder. In diesem mon­tierten sie zehn stark reflek­tie­rende Schichten, um mög­lichst viel Licht und Wärme­strah­lung abzu­schirmen. Diese Schichten bestanden aus siebzig bis sieben­hundert Nano­meter dünnen Lagen aus Silizium­nitrid, amorphem Silizium und Alu­minium. Danach pumpten sie die Luft aus dem Zylinder, damit dank des Vakuums keine Wärme über Kon­vek­tion in den Kühl­bereich gelangen konnte. Wichtig­stes Bau­teil war jedoch eine Ab­deckung aus Zink­selenid, die von beiden Seiten mit einem dünnen anti­reflek­tie­renden Material beschichtet wurde. Durch dieses Fenster konnte das System Wärme­strah­lung zwischen 8 und 13 Mikro­meter Wellen­länge ent­spre­chend des Infra­rot-Fensters der Atmo­sphäre ab­geben.

Um das Kühlsystem nicht nur nachts, sondern auch an sonnigen Tagen nutzen zu können, ergänzten die Forscher rundum mehrere Blenden und ober­halb einen konisch geformten Spiegel. Damit ließ sich der direkte Ein­fall von Sonnen­licht effi­zient mini­mieren. Aufge­stellt auf dem Dach ihres Insti­tuts ermit­telten Chen und seine Kollegen den Kühl­effekt ihres Proto­typs über 24 Stunden. Bei wolken­losem Himmel sank die Tempe­ratur im Innern des Zylinders durch­schnitt­lich um 37,4 Grad im Vergleich zur Umge­bungs­tempe­ratur. Während des wärmeren Tages betrug die größte Tempe­ratur­diffe­renz sogar 42,2 Grad. Bei 16 Grad Celsius Außen­tempe­ratur kühlte das Innere des Systems also auf minus 26 Grad Celsius ab. Ein theore­tisches Modell des Welt­raum-Kühlers zeigt, dass im Ideal­fall maxi­mal sogar eine Tempe­ratur­diffe­renz von bis zu 60 Grad erreicht werden könnte.

Mit diesem Prototyp ließ sich ein kleiner Bereich in der Vakuum­kammer über den ganzen Tag dank der ther­mischen Kopp­lung mit dem Welt­raum effi­zient auf weit unter den Gefrier­punkt von Wasser abkühlen. Für tech­nische Anwen­dungen oder gar zur Kühlung ganzer Räume müssten solche Kühl­systeme aller­dings deut­lich größer dimen­sio­niert werden. Das halten die Forscher derzeit unter anderem wegen der hohen Kosten für das Zink­selenid-Fenster für wenig sinn­voll. Doch mit neuen, günsti­geren Materi­alien wäre eine Entwick­lung wirt­schaft­licher Kühl­systeme prinzi­piell möglich.

Bereits vor zwei Jahren präsentierte die gleiche Arbeits­gruppe ein passives Kühl­system, dass die ther­mische Kopp­lung mit dem Welt­raum aus­nutzte. Es bestand aus einem Silizium-Wafer mit zwanzig Zenti­metern Durch­messer. Auf diesen Träger depo­nierten die Forscher zuerst hauch­dünne Schichten aus Titan und hoch reflek­tie­rendem Silber. Sieben weitere Schichten aus den dielek­trischen Materi­alien Silizium­dioxid und Hafnium­dioxid boten eine selek­tive Durch­lässig­keit für Wärme­strahlung im Bereich des Infra­rot-Fensters der Atmo­sphäre. Ohne den isolie­renden Effekt eines Vakuums kühlte die Luft unter dem Spiegel während eines Pilot­ver­suchs auf dem Dach des Instituts­gebäudes aller­dings nur um 4,9 Grad ab.

Jan Oliver Löfken

RK