Wesentlich nachhaltiger: Neue Technik senkt den Energiebedarf bei Tieftemperatur-Kühlung um 71 Prozent

Tieftemperatur-Kühlung oder kryogenische Kühlung hat viele Anwendungsfälle. Sie wird etwa angewendet, um Gewebe, Embryos oder Spermien zu konservieren. Aber auch der gewaltige Teilchenbeschleuniger am CERN in der Schweiz wäre ohne kryogenes Kühlsystem kaum denkbar. Und auch Zukunftstechnologien wie Fusionsenergie und Quantencomputer könnten massiv von entsprechenden Kühlsystemen profitieren. Allerdings benötigen diese System große Mengen an Energie. Forscher:innen des National Institute of Standards and Technology (NIST) gelang es nun, den Energiebedarf kryogener Kühlsysteme um beeindruckende 71 Prozent zu senken.

Ultraniedrige Temperaturen haben viele Einsatzbereiche

Ultraniedrige Temperaturen ermöglichen interessante physikalische Effekte. So benötigen Supraleiter etwa sehr niedrige Temperaturen (die Suche nach Supraleitern, die diese Eigenschaft auch bei Raumtemperatur aufweisen, ist weiterhin in vollem Gange). Superfluidität ist ein weiterer Effekt, der bei niedrigen Temperaturen auftritt und bestimmten Flüssigkeiten wie etwa Helium erlaubt, ohne Viskosität zu fließen. Und auch bestimmte Quantenphänomene profitieren von extrem niedrigen Temperaturen.

Kühlsysteme, die auf Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts kühlen können, haben allerdings ihre Probleme. Nicht nur, dass viel Zeit benötigt wird, um die gewünschte Kühlung zu erreichen, sie benötigt auch noch viel Energie. Seit mehr als 40 Jahren sind sogenannte Pulsröhrenkühler (Pulse Tube Refrigerator – PTR) das Mittel der Wahl, um Temperaturen von 4 Grad Kelvin ( -269 Grad Celsius) zu erreichen. Das Funktionsprinzip solcher Kühlgeräte ist dem gewöhnlicher Küchenkühlschränke überraschend ähnlich.

Effizientere Kühlung mit einfachen Mitteln

PTR-Geräte nutzen ein komprimiertes Gas, das die Umgebung kühlt während es sich wieder ausdehnt. Statt Freon oder Isobutan kommt in PTR-Geräten Helium zum Einsatz, was eine Kühlung ermöglicht, die an die Grenzen der Physik geht. Der Kühlvorgang benötigt mehrere Tage und viel Energie.

Ein Team rund um Ryan Snodgrass vom NIST hat sich genauer mit dem Konzept der PTR auseinandergesetzt und sich überlegt, wie man diese effizienter gestalten könnte. Dabei kamen die Forscher:innen auf eine relativ einfache Methode. Während die Effizienz der PTR-Geräte bei sehr niedrigen Temperaturen relativ gut, während sie bei Raumtemperatur sehr zu wünschen übrig lässt.

Bei höheren Temperaturen (sprich Raumtemperatur) steht das Helium unter derart hohem Druck, dass es mehrfach über ein Entlastungsventil entweicht statt zu kühlen. Durch Veränderungen am Kühlkreislauf und eine Anpassung der Ventile konnten die Forscher:innen die Effizienz deutlich verbessern und auch die Geschwindigkeit erhöhen, mit der die gewünschte Temperatur erreicht wurde.

Die Forscher:innen gehen davon aus, dass sich mit derart optimierten Kühlanlagen weltweit etwa 27 Millionen Watt sparen ließen, was Kosteneinsparungen von etwa 30 Millionen US-Dollar entspräche. Hinzu kommen Wassereinsparungen, da der Kühlvorgang sehr viel schneller abliefe.

via NIST