Ionokalorische Kühlung

Der ionokalorische Kältekreislauf ist eine Kühltechnologie, die den ionokalorischen Effekt, angetrieben durch ein elektrochemisches Feld, zur effizienten Kühlung nutzt. Durch die Manipulation des elektrochemischen Potenzials mittels Ionenzugabe oder -entnahme lassen sich signifikante Temperatur- und Entropieänderungen erzielen. Dieser Kreislauf unterscheidet sich von herkömmlichen, weit verbreiteten Kältekreisläufen .

Es wurde von Drew Lilley und Ravi Prasher am Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums entwickelt; ihre Arbeit wurde im Januar 2023 veröffentlicht. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Der ionokalorische Kältekreislauf ist eine hocheffiziente Kühltechnologie ohne Treibhauspotenzial . Er nutzt den ionokalorischen Effekt, der durch ein elektrochemisches Feld hervorgerufen wird, um signifikante adiabatische Temperaturänderungen und isotherme Entropieänderungen zu erzielen. Entwickelt als Lösung für den dringenden Bedarf an nachhaltigen und umweltfreundlichen Kühlsystemen, zeigt der ionokalorische Kältekreislauf vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich Leistung und Energieeffizienz .

Herkömmliche Kältetechnologien wie Dampfkompressionskältemaschinen (VC-Systeme) nutzen Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) als Kältemittel. FKW besitzen jedoch ein hohes Treibhauspotenzial und tragen erheblich zu den Treibhausgasemissionen bei. Um diesen Umweltproblemen zu begegnen, erforschen Wissenschaftler feste kalorische Materialien, die unter dem Einfluss externer Felder Kühlwirkung zeigen. Während bisherige kalorische Materialien nur eine begrenzte Leistung und einen niedrigen Leistungsbeiwert (COP) aufwiesen , erzielt der ionokalorische Kreislauf bemerkenswerte Verbesserungen.

Der ionokalorische Effekt beruht auf der Manipulation des elektrochemischen Feldes um eine feste Phase durch die Zugabe oder Entfernung von Ionen. Diese elektrochemische Durchmischung der Spezies induziert signifikante Energieänderungen, die eine thermische Reaktion und Temperaturänderung im System zur Folge haben. Im Gegensatz zu anderen kalorischen Effekten, bei denen das angelegte Feld mit dem konjugierten Feldpaar des Materials interagiert, wirkt der ionokalorische Effekt umgekehrt. Die Steuerung des elektrochemischen Potenzials wird durch die Veränderung der Konzentration chemischer Spezies mittels verschiedener Feldvariablen wie Temperatur, Druck und Spannung erreicht.

Der ionokalorische Kältekreislauf nutzt den ionokalorischen Effekt in einem thermodynamischen Kreislauf für eine kontinuierliche und effiziente Kühlung. Der Kreislauf umfasst vier Schritte: isentrope Mischung, isokompositionelles und isothermes Schmelzen durch Wärmeaufnahme, isentrope Trennung und isokompositionelle und isotherme Kristallisation durch Wärmeabgabe. Durch diese Schritte erreicht der Kreislauf ein Carnot-ähnliches Verhalten und ermöglicht effiziente Kühlung.

Unter den verschiedenen ionokalorischen Systemen hat sich das System aus Ethylencarbonat und Natriumiodid als besonders vielversprechend erwiesen. Es zeichnet sich durch eine hohe Schmelzwärme, einen Schmelzpunkt oberhalb Raumtemperatur und Umweltverträglichkeit aus und ist daher eine attraktive Option für praktische Anwendungen. Der ionokalorische Effekt dieses Systems übertrifft alle bisher beschriebenen kalorischen Effekte und zeigt deutlich höhere adiabatische Temperatur- und Entropieänderungen pro Massen- und Volumeneinheit.

Die praktische Umsetzung des ionokalorischen Kühlkreislaufs erfordert den Einsatz von Entsalzungstechniken wie der Elektrodialyse zur Trennung der Lösung und zur Regeneration des Systems. Obwohl die theoretischen Eigenschaften des EC/ NaI -Systems vielversprechend sind, hängt die Effizienz in der Praxis von den Details des Trennprozesses ab. Elektrochemische Verfahren wie die Elektrodialyse bieten hohe Wirkungsgrade ohne hohe Betriebsdrücke oder -felder und eignen sich daher für die praktische Anwendung.

Ideale ionokalorische Materialien erfordern eine hohe Schmelzenthalpie, eine erhöhte kryoskopische Konstante und eine hohe Dielektrizitätskonstante, was auf eine hohe Salzlöslichkeit hindeutet. Das System aus Ethylencarbonat und Natriumiodid ist ein vielversprechender Kandidat für Experimente. Salze wie ZnCl₂ und HgCl₂ weisen zwar _hohe Löslichkeiten _auf , ihr Durchtritt durch Kationenaustauschermembranen ist jedoch behindert, und es besteht die Gefahr der Bildung von giftigem Chlorgas. NaI und KI hingegen eignen sich aufgrund ihrer hohen Löslichkeit und Ionenleitfähigkeit für ionokalorische Anwendungen, wobei NaI aufgrund seiner überlegenen Salzlöslichkeit bevorzugt wird.

Die ionokalorische Wärmepumpe ist eine auf Fest-Flüssig-Wärmepumpen basierende Technologie mit hohem Wirkungsgrad über sehr hohe Temperaturbereiche. Sie nutzt den ionokalorischen Effekt, indem sie die Konzentration eines Salzes in einem Gemisch verändert, um den Schmelzpunkt eines Materials und damit dessen Wärmeinhalt zu modulieren. Der ionokalorische Effekt ist definiert als die thermische Reaktion auf ein angelegtes elektrochemisches Feld (d. h. ein Ionenfeld). Ionokalorisches Heizen/Kühlen nutzt den ionokalorischen Effekt innerhalb eines geeigneten thermodynamischen Kreisprozesses (z. B. des umgekehrten Carnot- oder Stirling-Kreisprozesses ).

Die ionokalorische Kühlung funktioniert, indem ein Feststoff mit Ionen umgeben wird (d. h. ein elektrochemisches Feld angelegt wird). Dadurch wird der Feststoff als Flüssigkeit stabiler. Um in den flüssigen Zustand überzugehen, muss er schmelzen, was Energieaufnahme erfordert. Beim adiabatischen (und somit isenthalpischen ) Schmelzen nimmt er Energie auf und kann so flüssig werden, indem er sich selbst Energie entzieht. Dadurch kühlt sich das gesamte Material ab. Sobald das Material abgekühlt ist, kann der Feststoff bei der nun niedrigeren Temperatur weiter schmelzen und dabei Energie aus der Umgebung aufnehmen (Kältetechnik).

Die ionokalorische Erwärmung funktioniert umgekehrt. Entfernt man die Ionen aus einer Flüssigkeit, wird diese – bei sorgfältiger Auswahl – als Feststoff stabiler. Um in den festen Zustand überzugehen, muss sie kristallisieren und Energie freisetzen. Kristallisiert sie adiabatisch, erwärmt sie sich selbst (Rekaleszenz). Sobald das Material erwärmt ist, gibt es durch Kristallisation weiterhin Energie ab, nun aber Wärme an die Umgebung (Wärmepumpe).

Durch das Durchlaufen dieser vier Prozesse entsteht ein Carnot-ähnlicher Wärmepumpenkreislauf mit einem Treibhauspotenzial von null. Der erste demonstrierte Prototyp wurde 2022 in Science ^{[ 2 ]} veröffentlicht und ist CO₂ _- negativ, umweltverträglich, ungefährlich, hat ein Treibhauspotenzial von null, ist ungiftig und nicht brennbar.

Die ionokalorische Kühlung bietet gegenüber herkömmlichen Kühltechnologien mehrere Vorteile.

• Es benötigt keine schädlichen Kältemittel wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) oder teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), die bekanntermaßen zur globalen Erwärmung und zum Ozonabbau beitragen .
• Besitzt das Potenzial für eine hohe Energieeffizienz, was zu erheblichen Kosteneinsparungen und einer geringeren Umweltbelastung führen kann.

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• Wissenschaftler des Berkeley Lab entwickeln eine coole neue Kühlmethode
• doi : 10.1126/science.ade1696