In Entwicklung: Solid-State-Polymer-Wärmepumpe

Mal ein Blick in die Zukunft. Chinesische Forscher haben eine Wärmepumpe mit einer gänzlich neuen Technologie getestet. Es ist eine sogenannte Solid-State-Polymer-Wärmepumpe, die nicht mit Kältemitteln und Kompressor, sondern mit einem elektrischen Kondensator arbeitet. Das könnte die Gerät in Zukunft revolutionieren.

Konventionelle Wärmepumpen

Bisherige Wärmepumpen arbeiten als "Kältemaschinen" und werden mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf betrieben. Das Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr und nach der Verdichtung kondensiert das Kältemittel unter Abgabe der Nutzwärme. Der Abluft, der Außenluft, dem Erdboden, dem Abwasser oder dem Grundwasser kann Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden. Die Funktionsweise – ähnlich wie bei einem Kühlschrank – ist auf Wikipedia beschrieben.

Solid-State-Polymer-Wärmepumpe

Gerade bin ich im Internet auf einen Artikel Solid-state polymer heat pump gets rid of the heat itself gestoßen, in dem eine gänzlich andere Technologie beschrieben wird. Diese wurde von Forschern an der  Shanghai Jiao Tong University in einer Forschungsarbeit untersucht und beschrieben.

Wird ein elektrischer Kondensator geladen oder entladen, kommt es zu einem Phasenübergang in der internen Struktur. Bei diesem Phasenübergang ändert sich der Wärmeinhalt des Kondensators erheblich. Man könnte also heizen oder kühlen, je nachdem, ob der Kondensator geladen oder entladen wird.

Nun verwendeten die Forscher ein spezielles Polymer namens Poly-Vinylidenfluorid-Trifluorethylen-Chlorfluorethylen. Das ist ein bekanntes elektrokalorisches Material, dessen Varianten bei der Aufnahme von Ladungen ihre Form ändern.

Den Forschern gelang es, nachdem die chemischen Abläufe geklärt waren, ein spezielles Polymer herzustellen, das starke Temperatur- und Formeffekte aufwies. Die Verwendung als Wärmepumpe sei denkbar einfach, schreibt Arstechnica. Um eine Oberfläche abzukühlen, wird das Polymer einfach so angeordnet, dass seine Form nach der Entladung (die das Polymer abkühlt) die Oberfläche physisch berührt.

Fügt man dann eine Ladung hinzu, ändert das Polymer seine Form und entfernt sich von der Oberfläche und beginnt sich zu erwärmen. Wenn man es so anordnet, dass es an diesem Punkt mit einer zweiten Oberfläche in Berührung kommt – z. B. einer Wärmesenke oder einem großen Wasserreservoir -, wird es seine Wärme an diese Oberfläche abgeben.  Es kehrt dann auf die Umgebungstemperatur zurück, und der Zyklus kann von vorne zu beginnen. Man hat eine Wärmepumpe auf Polymer-Basis.

Die Forscher konfigurierten einen Aufbau, bei dem das Polymer als Kühlsystem für einen Computerchip diente, der normalerweise bei 60 °C betrieben wird. Bei Betrieb des elektrokalorischen Systems sank die Temperatur des Chips um 18 °C. Im Gegensatz dazu sank die Temperatur des Chips mit einem Lüfter nur um 7 °C. Das Ganze ließe sich natürlich auch zum Heizen verwenden. Ob aber daraus eine Wärmepumpe für die Beheizung von Gebäuden entsteht, muss die Zukunft zeigen. Die Entwicklung verdeutlicht aber, dass oft ungewöhnliche Lösungen für solche Fragestellungen gefunden werden. Die Details lassen sich im Arstechnica-Artikel (Englisch) nachlesen. Ergänzung: Die Kollegen von Golem haben das Ganze in diesem deutschsprachigen Beitrag aufbereitet.