Effizient thermisch kühlen und heizen
„Solarforscher holen neuen Stern vom Materialhimmel – Fraunhofer ISE entwickelt hochporöse Beschichtungen für thermische Kühlanlagen und Wärmepumpen“, titelte das Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE hocherfreut. Thermische Anlagen nutzen Wärme, um Kälte zu produzieren und umgekehrt. Benötigt wird dafür ein Material, das Wasserdampf besonders gut und schnell abführen kann. Ein neues Verfahren des ISE bringt dieses einfach als Schicht auf die verwendeten Bauteile auf – MOF. Mit von der Partie: das Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik.
Kühlgeräte haben den menschlichen Körper zum Vorbild: Wenn wir schwitzen, verdampft Wasser auf unserer Haut und kühlt diese. Je niedriger der Luftdruck, desto einfacher geht das. Verfrachtet man diesen Prozess in ein Vakuum, verdampft Wasser bereits bei wenigen Millibar und Temperaturen von nur 10 Grad. Damit die Geräte kontinuierlich kühlen, muss der Dampf abgeführt werden. Das gelingt zum Beispiel durch einen elektrischen Kompressor, wie in unseren Kühlschränken, der Wasserdampf aus der Gasphase entfernt und anschließend wieder verflüssigt. Eine Alternative ist der thermische Kompressor, ein poröses Material, das Wasserdampf aufnehmen kann. Bei dieser Variante ist die Antriebsenergie nicht elektrisch, sondern thermisch. Derart angetriebene Wärmepumpen oder Kältemaschinen produzieren aus Wärme Kälte und umgekehrt. Bisher konnten sich diese gegenüber ihren mit Strom betriebenen Pendants jedoch nicht flächendeckend durchsetzen. Ihre Leistungsdichte ist zu gering. Es fehlen Materialien und Komponenten, die in der Lage sind, ausreichend Wasserdampf in kürzerer Zeit abzuführen.
Materialien müssen Wasserdampf aufnehmen
Forscher des ISE Freiburg haben diese Lücke jetzt geschlossen. Ihre metallorganischen Gerüstverbindungen (engl.: Metal Organic Frameworks, MOFs) eignen sich besonders gut, um Wasserdampf aufzunehmen. Dabei bildet ein metallischer Kern zusammen mit organischen Verbindern eine dreidimensionale poröse Struktur. „MOFs können wie Legosteine beliebig zusammengesetzt werden und schlagen in Sachen Flexibilität jede bisher bekannte Materialklasse. Die Stoffe sind porös und haben in ihrem Innern Oberflächen, die sich bis zu 4000 Quadratmetern pro Gramm summieren können. Ausreichend Platz, an denen der Wasserdampf adsorbieren – sich anreichern – kann“, erklärt Dr. Stefan Henninger, Leiter der Gruppe Sorptionsmaterialien am ISE.
Folgt: Erfolg: MOFs als Schicht aufbringen