Kühlung mit Kältemitteln aus festen Materialien

Mit steigenden Temperaturen wächst weltweit der Bedarf an Kühlung. Bislang wird diese Nachfrage vor allem von konventionellen Kühlsystemen gedeckt, die gasförmige Kältemittel mit hohem Treibhausgaspotenzial verwenden. Kalorische Kühlung könnte eine nachhaltige Alternative darstellen, weil sie feste Materialien statt herkömmlicher Kältemittel nutzt. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben gemeinsam mit internationalen Partnern den Stand entsprechender Systeme analysiert. Sie zeigen, welche Fortschritte es gibt und was eine Anwendung noch erschwert. Die Ergebnisse wurden in Nature Energy veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41560-026-02143-1).

Kühlbedarf steigt

Der Juni 2026 endete laut Deutschem Wetterdienst mit einer historischen Hitzewelle. Da solche Extremereignisse weltweit zunehmen, wird sich der Energiebedarf für Raumklimatisierung bis 2050 voraussichtlich mehr als verdoppeln. Auch die schnelle Entwicklung Künstlicher Intelligenz erhöht den Kühlbedarf, weil leistungsfähigere Rechenzentren mehr Wärme ableiten müssen. Kühlung wird aber nicht nur in Gebäuden und Rechenzentren wichtiger, sondern auch in Elektronik, Medizin und Logistik. Bisher decken vor allem Dampfkompressionssysteme diesen Bedarf ab. Die fast 200 Jahre alte Technik ist weit verbreitet, nutzt aber gasförmige Kältemittel, die beim Entweichen zur Erderwärmung beitragen können.

Dass es auch anders geht, zeigt die Forschung von Dr. Jingyuan Xu. Die mehrfach ausgezeichnete Nachwuchswissenschaftlerin leitet am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT die Forschungsgruppe „Emissionsfreie und umweltfreundliche Heiz- und Kühltechnologien (ZEco Thermal Lab)“. „Kalorische Kühlung bietet gleich zwei Vorteile: Sie kommt ohne klimaschädliche Kältemittel aus und kann dazu beitragen, den Energieverbrauch zu senken“, erläutert Xu. In einem aktuellen Review hat sie mit ihren Ko-Autorinnen den Stand der Forschung zusammengefasst.

Fortschritte bei Geräten

„Kalorische Kühltechnologien nutzen Materialien, die sich unter äußerer Einwirkung erwärmen und beim Nachlassen dieser Einwirkung wieder abkühlen“, sagt Xu. Dafür ließen sich magnetische und elektrische Felder nutzen, aber auch Druck oder Zug. In einem Gerät dient der Temperaturwechsel dazu, Wärme aufzunehmen und an anderer Stelle abzugeben, ähnlich wie bei einem Kühlschrank oder einer Wärmepumpe.

Wie weit sich das Forschungsfeld entwickelt hat, zeigen Forschende mit aktuellen Prototypen. Einige dieser Prototypen erreichen inzwischen Kühlleistungen, die über reine Labordemonstrationen hinausgehen: Systeme mit Magnetfeldern liegen bei mehr als drei Kilowatt und damit in einem Leistungsbereich, der für größere Kühlanwendungen relevant wird. Mechanisch angetriebene Prototypen überschreiten die Ein-Kilowatt-Marke. Kleinere Systeme, die elektrische Felder nutzen oder nach dem elastokalorischen Prinzip arbeiten, bleiben bislang unter zehn Watt, könnten sich aber für die Kühlung von Wearables, Chips oder Sensoren eignen.

Trotz großer Fortschritte identifizieren die Forschenden eine Lücke zwischen dem Material und der Kühlleistung des fertigen Geräts: Durch Wärmeverluste, Materialermüdung oder nicht vollständig zurückgewonnene Energie im Kühlzyklus geht Leistung verloren. „Große Temperaturänderungen im Material allein reichen nicht“, sagt Dr. Kun Wang vom IMT, Erstautor der Studie. „Entscheidend ist, wie viel von diesem Effekt auf Geräteebene ankommt und wie effizient der Kühlzyklus arbeitet.“

Roadmap für die Anwendung

Die Forschenden zeigen, welche Schritte nötig sind, damit kalorische Systeme im Alltag zuverlässig kühlen. Besonders wichtig ist demnach die Lebensdauer. Geräte müssen viele Millionen Zyklen stabil arbeiten, wenn sie über Jahre kühlen sollen. Entscheidend ist außerdem, dass sie Wärme schnell aufnehmen und abgeben können und für den Kühlzyklus möglichst wenig Energie benötigen.

Derzeit können kalorische Systeme die etablierten Kühlsysteme noch nicht flächendeckend ersetzen. „Zunächst sind sie dort interessant, wo klassische Kühltechnik an praktische Grenzen stößt“, sagt Xu. „Das kann der Fall sein, wenn Geräte sehr leise arbeiten sollen oder Kältemittel mit starker Klimawirkung vermieden werden müssen.“ Welche Systeme sich dafür eignen, sollen standardisierte Tests und anwendungsnahe Demonstratoren zeigen.

Originalpublikation
Wang, K., Seelecke, S., Sun, Q. et al. Caloric cooling devices and systems. Nat Energy (2026) DOI: 10.1038/s41560-026-02143-1