Kühltechnik: Kälte in der Hosentasche

Empfindliche Medikamente und Nahrungsmittel bei niedrigen Temperaturen aufbewahren – mit einem Kühlaggregat ist das kein Problem. Doch solche Geräte sind sperrig und für kleine Gegenstände wie Smartphone-Akkus ungeeignet. Eine neue Technik, vorgestellt im Fachblatt „Science“, soll nun eine Kühlung im Hosentaschenformat ermöglichen, die sich sowohl für Handys als auch für flexible Kühlverbände bei Verletzungen eignet.

Wärmen, um zu kühlen

Kühlen funktioniert seit Urzeiten nach einem einfachen Schema: Eine Substanz – wie zum Beispiel das früher in Bierkellern genutzte Eis – nimmt von einem anderen Material Wärme auf. Während das Eis dabei langsam schmilzt, kühlen die Getränke ab. Die gleiche Funktion übernimmt in einer Klimaanlage oder in einem Kühlschrank das Kältemittel: Zunächst verdichtet ein Kompressor dieses Gas und wärmt es dabei auf. In den schwarzen Kühlschlangen auf der Rückseite des Gerätes gibt das Kühlmittel diese Wärme an die Umgebung ab und heizt damit den Raum ein wenig auf. Gleichzeitig kondensiert das Kältemittel, strömt in das Innere des Kühlschranks, darf sich dort wieder ausdehnen und verdampft dabei. Die dazu benötigte Energie nimmt das Kältemittel aus seiner Umgebung und senkt so die Temperatur des Kühlschranks samt Inhalt. Danach beginnt der Kreislauf von vorne. Insgesamt schaufelt eine solche Maschine also Wärme aus dem Kühlschrank heraus und heizt die Umgebung.

Selbst maximal miniaturisiert bleibt eine solche Apparatur viel zu sperrig, um etwa in einem Smartphone den Akku zu kühlen. Dagegen versprechen sich Forscher bereits seit mehreren Jahrzehnten einiges von Kälteschaufeln, die aus festen Substanzen bestehen und elektrisch angetrieben werden. Dazu gehören „Peltier-Elemente“, in denen Strom durch zwei Halbleiter fließt und dabei eine Seite des Elements aufheizt, während die andere abkühlt. Allerdings sind die benötigten Materialien recht teuer.

Kunststofffolie als Kühlmittel

Qibing Pei von der University of California in Los Angeles und seine Kollegen nutzen hingegen Kälteschaufeln, die nach dem „elektrokalorischen Effekt“ funktionieren. Dabei kühlt oder wärmt ein elektrisches Feld eine Kunststofffolie, die Pei zwischen zwei Plättchen aus Aluminium spannt. Ein elektrisches Feld drückt die Folie gegen das obere Plättchen und heizt dabei den Kunststoff auf. Dieser gibt die aufgenommene Wärme an das Aluminium ab. Wird das Feld anschließend umgepolt, drückt es die Folie in Sekundenbruchteilen gegen das untere Aluminiumplättchen, was sie abkühlt. Zum Ausgleich fließt Wärme vom Aluminium zum Kunststoff und kühlt das Leichtmetall. Danach beginnt der Kreislauf von vorne.

Diese Kältetechnik braucht kaum Platz: Im Experiment war ein Element sieben Zentimeter lang, drei breit und nur 0,6 Zentimeter dick. Und sie kühlt schnell: Ein herkömmlicher Smartphone-Akku kühlt unter hoher Belastung von 52 Grad Celsius in 30 Sekunden um gerade einmal drei Grad Celsius ab. Peis elektrokalorische Kühlung schafft acht Grad in nur fünf Sekunden.