03.09.2021

Strahlungskühlung mit Wärme-Richtstrahler

Kontaktfreie thermische Manipulation ermöglicht vielfältige Anwendungen bis hin zur Biophysik.

Jeder kennt den Frost einer kalten Winternacht bei klarem Sternenhimmel. Auf dem freien Feld spürt man die Kälte deutlich, in einem Wald oder unter einem schützenden Dach weniger. Der Grund ist Wärme­strahlung, wenn sie vom Körper abgegeben und je nach Umgebung eine geringere Wärme­strahlung empfangen wird. Das Universum ist mit -270 Grad Celsius viel kälter als unsere direkte Umgebung, daher strahlt es kaum zurück. Seit kurzem entwickeln Wissenschaftler weltweit neuartige Methoden, um durch Wärmeaustausch mit dem Universum ohne weiteren Energie­einsatz Gebäude oder auch Kleidung sogar bei Tageslicht abzukühlen. Potenzielle Anwendungen für technologische oder experimentelle Zwecke auf kleinerer Skala wurden bisher aber kaum untersucht.

 

Abb.: Berührungsloses Kühlen einer Probe durch das gezielte Lenken von...
Abb.: Berührungsloses Kühlen einer Probe durch das gezielte Lenken von Wärme­strahlung (Bild: J. Feldmann/ LMU)

Einer Forschungsgruppe um Jochen Feldmann ist es am Nano-Institut der LMU nun gelungen, durch die gezielte Lenkung von Wärmestrahlen berührungslos einen Kälte­gradienten in einer Probe zu erzeugen. „Wir haben dabei das ferne Universum durch einen entfernt stehenden Kryostaten simuliert“, sagt Nicola Kerschbaumer, Doktorandin in Feldmanns Team und Erstautorin der Studie. Mit diesem Kühlgerät lassen sich sehr tiefe Temperaturen erreichen und konstant halten.

Mithilfe von spezieller Optik und elliptischen Spiegeln konnten die Forscher die langwellige Wärme­strahlung der Probe sammeln und gezielt zum Kryostat lenken. Auf diese Weise erzeugten sie eine Art „Einbahnstraße“ für die Wärmestrahlung, und die Probe wird gekühlt. In einer ersten Anwendung zeigte sich diese kontaktlose Kühlung besonders gut für das „Unterkühlen“ von Flüssigkeiten geeignet.

Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihre neue Methode, durch Strahlungs­kühlung (radiative cooling) berührungslos einen Kältegradienten in einer Probe zu erzeugen, viele weitere Anwendungen finden wird. Nach Einschätzung von Theobald Lohmüller, Leiter der Biophotonik-Gruppe am Nano-Institut und ebenfalls Autor der Studie, werden kontaktfreie thermische Manipulationen insbesondere bei biologischen Proben von großem Interesse sein.

LMU / DE

 

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