Kühlung wie von Geisterhand
Thermischer Schwingkreis kühlt heißen Körper unter die Temperatur des Nachbarobjekts.
Forscher der Universität Zürich haben eine verblüffend einfache Anordnung entwickelt, bei der Wärme ohne Energiezufuhr von außen zeitweise von einem kälteren zu einem wärmeren Objekt fließt. Dieser Vorgang steht jedoch nur scheinbar im Widerspruch zu den Gesetzen der Physik. Stellt man einen Krug mit kochendem Wasser auf den Küchentisch, so wird dieser mit der Zeit abkühlen. Doch seine Temperatur wird nie unter jene des Tisches fallen. Wie der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, muss die Entropie eines abgeschlossenen Systems mit der Zeit zunehmen.
Die Forschungsgruppe von Andreas Schilling am Physik-Institut der Universität Zürich (UZH) hat nun ein Experiment durchgeführt, dessen Ergebnis den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auf den ersten Blick zu verletzen scheint. Den Forschern ist es gelungen, ein neun Gramm schweres Stück Kupfer von über 100 Grad Celsius deutlich unter Zimmertemperatur abzukühlen, ohne dass von außen Energie zugeführt wird. „Theoretisch könnte man mit dieser Versuchsanordnung kochendes Wasser ohne Energieaufwand zu Eis erstarren lassen”, sagt Schilling.
Die Forscher verwendeten hierfür ein Peltier-Element – ein Bauteil, das beispielsweise für das Kühlen der Minibar in Hotelzimmern eingesetzt wird. Es hat die Fähigkeit, elektrische Ströme in eine Temperaturdifferenz umzuwandeln. Mit Hilfe eines solchen Elements erzeugten die Wissenschaftler in Verbindung mit einer elektrischen Induktivität schon in früheren Versuchen einen oszillierenden Wärmestrom, bei dem der Wärmefluss zwischen zwei Körpern ständig die Richtung wechselt. Dabei wird zeitweise auch Wärme von einem kälteren Objekt auf ein wärmeres Objekt übertragen, so dass das kältere Objekt weiter abkühlt. Ein solcher „thermischer Schwingkreis” enthält faktisch eine „thermische Induktivität”. Er funktioniert analog zu einem elektrischen Schwingkreis, bei dem die elektrische Spannung mit ständig wechselndem Vorzeichen oszilliert.
Bis jetzt hatte das Team um Schilling solche thermischen Schwingkreise nur unter Zufuhr von Energie betrieben. Die Forscher konnten nun erstmals zeigen, dass sich ein solcher thermischer Schwingkreis auch passiv – also ohne jegliche Energiezufuhr von außen – betreiben lässt. Es traten ebenfalls thermische Oszillationen auf und über einige Zeit floss Wärme direkt vom kälteren Kupfer hin zu einem wärmeren Wärmebad von 22 Grad Celsius, ohne zwischenzeitlich in eine andere Energieform umgewandelt zu werden. Die Autoren konnten zudem nachweisen, dass bei diesem Vorgang trotzdem keine Gesetze der Physik verletzt wurden.
Der im Experiment erreichte Unterschied zur Zimmertemperatur betrug zwar nur knapp zwei Grad Celsius, doch liegt dies hauptsächlich an den Eigenschaften des verwendeten kommerziellen Peltier-Elements. Gemäß Schilling wäre rein rechnerisch mit einem (noch nicht existierenden) „idealen” Peltier-Elements unter gleichen Bedingungen eine Abkühlung bis zu -47 Grad Celsius möglich: „Mit dieser sehr einfachen Technik ließen sich theoretisch also große Mengen an heißem Material, egal ob fest, flüssig oder gasförmig, ohne jeglichen Energieaufwand unterhalb Umgebungstemperatur abkühlen.” Der passive thermische Schaltkreis könnte dabei beliebig oft verwendet werden.
Schilling räumt allerdings ein, dass eine Anwendung in großem Maßstab noch nicht absehbar ist. Einerseits sind die derzeit erhältlichen Peltier-Elemente nicht effizient genug. Andererseits benötigt die jetzige Versuchsanordnung supraleitende Induktivitäten, um die elektrischen Verluste möglichst klein zu halten.
Für den UZH-Physiker ist nicht nur der erstmals erbrachte, prinzipielle Nachweis bedeutsam: „Die Experimente muten zunächst wie thermodynamische Zauberei an und rütteln damit auch in gewissem Masse an unseren gängigen Vorstellungen über Wärmeflüsse.”
U. Zürich / DE
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
A. Schilling et al.: Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a "thermal inductor", Sci. Adv., online 19. April 2019; DOI: 10.1126/sciadv.aat9953 - Phase Transitions, Materials and Applications (A. Schilling), Universität Zürich
