Kühlen mit der Kälte des Alls

Jeder Kühlschrank und jede Klimaanlage sind auch eine kleine Heizung. Denn die aus einem Innenraum abgeführte Wärme wird über den Kühlkreislauf nach außen abgegeben. Diese Wärme muss aber nicht die Küche oder die Luft einer Stadt im Sommer aufheizen. Mit einem speziellen Aufbau kann die Wärme auch direkt durch die Atmosphäre in den minus 270 Grad Celsius kalten Weltraum transportiert werden. Wissenschaftler aus Kalifornien konstruierten nun den Prototyp eines solchen Weltraum-Kühlschranks. In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ beschreiben sie Aufbau und potenzielle Anwendungen.

Aufbau der Kühlanlage, die erzeugte Wärme in das Weltall leitet.
Aufbau des Weltraum-Kühlers

„Ein solcher Kühler muss thermisch von allem entkoppelt werden außer vom Weltraum“, sagt Zhen Chen von der Stanford University. Dann kann die Wärme durch die Atmosphäre der Erde, die für Wärmestrahlung zwischen 8 und 13 Mikrometer Wellenlänge durchlässig ist, bis ins All abgegeben werden. Zusammen mit seinen Kollegen konstruierte Chen einen Weltraum-Kühler, der auf einer guten Isolierung und einem selektiv für Wärmestrahlung durchlässigen Material basiert. In ersten Versuchen erzielten die Forscher einen verblüffenden Kühleffekt mit Temperaturen von bis zu 42 Grad unter der Umgebungstemperatur.

Für ihr Experiment griffen Chen und Kollegen zu einem etwa zehn Zentimeter durchmessenden Edelstahlzylinder. In diesem montierten sie zehn stark reflektierende Schichten, um möglichst viel Licht und Wärmestrahlung abzuschirmen. Danach pumpten sie die Luft aus dem Zylinder, damit dank des Vakuums keine Wärme über Konvektion in den Kühlbereich gelangen kann. Wichtigstes Bauteil war jedoch ein Deckel aus Zinkselenid, durch den Wärmestrahlung zwischen 8 und 13 Mikrometer Wellenlänge entsprechend des Infrarot-Fensters der Atmosphäre abgegeben werden konnte. Um diesen Weltraum-Kühlschrank bauten die Forscher noch mehrere Blenden auf, die den Einfall von Sonnenlicht minimierten.

Aufgestellt auf dem Dach ihres Instituts ermittelte Chen den Kühleffekt ihres Prototyps über 24 Stunden. Bei wolkenlosem Himmel sank die Temperatur im Innern des Zylinders durchschnittlich um 37,4 Grad im Vergleich zur Umgebungstemperatur. Während des wärmeren Tages betrug die größte Temperaturdifferenz sogar 42,2 Grad; bei 16 Grad Celsius Außentemperatur kühlte das Innere des Systems also auf minus 26 Grad Celsius ab. In früheren Versuchen erreichten einfacher aufgebaute Kühlsysteme tagsüber nur eine etwa fünf Grad geringere Temperatur. Ein theoretisches Modell des Weltraum-Kühlers zeigte, dass im Idealfalls maximal sogar eine Temperaturdifferenz von bis zu 60 Grad erreicht werden könnte.

Mit diesem Prototyp ließ sich ein kleiner Bereich – etwa von der Größe einer Espressotasse – über den ganzen Tag effizient auf weit unter den Gefrierpunkt kühlen, dank der thermischen Kopplung mit dem Weltraum. Für technische Anwendungen oder gar zur Kühlung ganzer Räume müssten solche Kühlsysteme allerdings deutlich größer dimensioniert werden. Dies halten die Forscher unter anderem wegen der hohen Kosten für das Zinkselenid-Fenster derzeit nicht für sinnvoll. Doch mit neuen günstigeren Materialien wäre eine Entwicklung wirtschaftlicher Kühlsysteme prinzipiell möglich.