Revolutionäre Technologien für die nachhaltige Kühlung der Zukunft

Wie können Heiz- und Kühlsysteme umweltfreundlicher und effizienter werden? Dr. Jingyuan Xu erforscht Technologien am KIT, die feste Materialien zur Temperaturänderung durch Verformung nutzen und so den Einsatz klimaschädlicher Kältemittel vollständig überflüssig machen. In der Reihe „women@KIT“ berichtet die Wissenschaftlerin bei clicKIT über ihre Forschung an Technologien, die Klimaanlagen und Kühlschränke neu denken.

Egal ob Kühlschränke, Klimaanlagen oder Wärmepumpen: Dank moderner Technik können Temperaturen problemlos reguliert werden. Doch die aktuell handelsüblichen Technologien haben ihre Schwächen. Einerseits verbrauchen sie viel Strom, andererseits bestehen etwa Kühlmittel aus gasförmigen und damit leicht flüchtigen sowie klimaschädlichen Substanzen. „Die heute verwendeten Kühl- und Heiztechnologien basieren auf einer fast 200 Jahre alten Erfindung. Meine Forschung hingegen konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Heiz- und Kühltechnologien, die Festkörpermaterialien als Kältemittel verwenden“, erklärt Jingyuan.

Nutzung des elastokalorischen Effekts für Temperaturänderungen

Konkret forscht die Kryotechnikern am Institut für Mikrostukturtechnologie des KIT an Kühl- und Heizgeräten, die elastokalorische Materialien nutzen. Diese ändern bei Verformung ihre Temperatur. „Am Naturkautschuk kann man das am eigenen Leib erfahren: Dehnt man ein Stück davon und hält es an die Haut, fühlt es sich warm an. Lässt man es los, fühlt es sich kalt an“, so die Forscherin, die mit ihrem Team am ZEco Thermal Lab versucht, diesen Effekt für Kälte- und Wärmesysteme zu nutzen. Dabei suchen sie nach neuartigen Materialien und entwickeln Prototypen, die eine verbesserte Kühl- und Wärmekapazität besitzen , eine höhere Temperaturspanne umfassen und erneuerbare Energien so effizient wie möglich nutzen können.

„Der Hintergrund meiner Forschung liegt in der dringenden Notwendigkeit nachhaltigerer Kühl- und Heiztechnologien. Herkömmliche Systeme basieren auf schädlichen gasförmigen Kältemitteln, die erheblich zur globalen Erwärmung beitragen und zunehmend unhaltbar sind“, erklärt Jingyuan. Die Materialien, die in ihren Prototypen verwendet werden, sind fest und ihr Austritt in die Umwelt damit unwahrscheinlich. „Die Technologie kann nicht nur im kleinen Maßstab verwendet werden, wie zum Beispiel bei der Mikrokühlung von Elektronik, sondern auch in größeren Geräten wie Klimaanlagen und Kühlschränken.“

Technologie von Grund auf neu denken

„Unsere Forschung ist hoch interdisziplinär. Wir betreiben Pionierarbeit und versuchen, Technologie von Grund auf neu zu denken“, beschreibt Jingyuan die Herausforderungen ihrer Forschungsarbeit. „Es geht ja nicht nur um die Materialeigenschaften per se, auch die Lebensdauer unserer Geräte, die Effizienz und Zuverlässigkeit muss mitgedacht werden. Ebenfalls Markt- und Regulierungsherausforderungen kalkulieren wir mit ein. Wir müssen also darauf achten, dass unsere Geräte sicher und kostengünstiger sind als konkurrierende Technologien“, so die Wissenschaftlerin.

Da die Entwicklung einer neuen Technologie nicht alleine machbar ist, arbeitet Jingyuan mit Kolleginnen und Kollegen aus der Wärmetechnik, den Materialwissenschaften, der Mikrotechnik und der Energiesystemforschung zusammen. Derzeit verfeinert das Team einen Prototypen. Dabei testen die Forschenden Materialien, die besonders langlebig sind, und untersuchen, inwieweit diese auf besonders kleine oder große Anwendungen skaliert werden können. „Wir hoffen auf eine baldige Markteinführung und eine nachhaltige, leistungsstarke Lösung für verschiedene Anwendungen.“

Maximilian Ferber, 13.2.2025