Tierische Experten standen Pate: Forscher präsentieren eine neue Kühlungstechnologie, die nachahmt, wie sich Kamele in der Wüste vor Überhitzung schützen. Es handelt sich um ein Schichtmaterial aus zwei Komponenten, das eine wassersparende Verdunstungskühlung ohne Energieaufwand ermöglicht. Die Unterlage bildet ein Hydrogel, das den Effekt der Schweißdrüsen übernimmt. Darüber sitzt eine Aerogelschicht, die wie das Fell der Wüstentiere wirkt: Hitze wird abgehalten, aber Wasserdampf durchgelassen. Dieses Zwei-Komponenten-Design kann Objekte rund fünfmal länger kühl halten als bisherige Materialien. Beispielweise könnten per Post verschickte Produkte auf diese Weise länger frisch gehalten werden, sagen die Entwickler.
In einigen Regionen der Erde ist es immer heiß, in anderen sorgt die Sommersonne für Extremwerte und im Zuge des Klimawandels wird sich die Lage wohl weiter verschärfen. Innovative Kühlsysteme sind deshalb immer gefragter. So arbeiten Wissenschaftler bereits seit einiger Zeit auch an Konzepten zur passiven Kühlung, die im Gegensatz zur aktiven Kühlung durch Klimaanlagen keine externe Energieversorgung benötigt. Die Natur hat uns und viele Tierarten mit einem derartigen Konzept ausgerüstet: Die Feuchtigkeitsabgabe durch Schwitzen sorgt für die Verdunstungskühlung des Körpers.
Erneut ein Blick auf die Natur-Patente
Dieses Konzept wurde bereits in Form von wasserhaltigen Hydrogelen technisch umgesetzt, die Feuchtigkeit abgeben und damit für Verdunstungskühlung sorgen können. Doch sie benötigen recht viel Wasser und ihre Funktionsdauer lässt zu wünschen übrig. Um nach Optimierungsmöglichkeiten zu suchen, haben sich die Forscher um Jeffrey Grossman vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge nun erneut im Tierreich umgesehen. Bei der Betrachtung der Physiologie von Kamelen erkannten die Wissenschaftler, dass eine Schlüsselkomponente in den bisherigen Verdunstungskühlungs-Technologien fehlte: das Fell.
Dabei gaben biologische Studien den entscheidenden Hinweis: “Zoologen haben berichtet, dass ein geschorenes Kamel den Wasserverbrauch für das Schwitzen tagsüber im Vergleich zu einem Kamel mit natürlichem Fell um 50 Prozent erhöhen muss”, sagt Grossman. Im Umkehrschluss bedeutete das: Das Fell sorgt für einen Kühleffekt, der eine Wassereinsparung ermöglicht. “Während sich frühere Forschungsarbeiten zur passiven Kühlung auf die Nachahmung der Verdunstung aus Schweißdrüsen bei Säugetieren konzentrierten, haben wir uns deshalb nun der Rolle der Fellisolierung gewidmet”, sagt Grossman.
Um die Fellschicht der Kamele nachzuahmen, synthetisierten die Forscher hochporöse, hydrophobe Kieselsäure-Aerogele, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und gleichzeitig Feuchtigkeit passieren lassen. Eine Schicht aus diesem Material platzierten sie dann auf einer Lage aus Hydrogel, die Feuchtigkeit abgeben kann – ähnlich wie die Schweißdrüsen-besetzte Haut der Tiere. „Auf diese Weise haben wir eine Verdunstungs-Isolierungs-Doppelschicht hergestellt, die dem Fell-Drüsensystem der Kamele entspricht“, sagt Grossman. Um auszuloten, inwieweit das Konzept hält, was es verspricht, führten die Forscher Tests durch: Sie umschlossen eine Kammer mit der Doppelschicht und erfassten die Temperatur im Inneren bei kontrollierter Umgebungstemperatur und relativer Luftfeuchtigkeit.
Wassersparend gekühlt
Es zeigte sich: Das Material konnte eine im Vergleich zu den Außenwerten um sieben Grad Celsius niedrigere Temperatur im Inneren der Kammer gewährleisten. Der Clou war dabei die Dauer der Leistung. Eine Hydrogelschicht allein konnte die Temperatur zwar ebenfalls und sogar noch etwas mehr verringern – aber nur für 40 Stunden. Danach war die Feuchtigkeit erschöpft und das Gel musste wieder mit Wasser aufgeladen werden. Eine Fünf-Millimeter-Hydrogelschicht, die von einem Fünf-Millimeter-Aerogel bedeckt war, konnte die Temperatur hingegen 200 Stunden lang reduzieren, bevor ihre Feuchtigkeit erschöpft war, zeigten die Tests. „Das Konzept kann somit eine erhebliche Verlängerung der passiven Verdunstungskühlzeit bei gleichem Wasserverbrauch ermöglichen“, resümiert Grossman.
Die Wissenschaftler sehen in ihrem Kamel-inspirierten Kühlmaterial deshalb nun erhebliches Potenzial für Anwendungen. Durch die Fähigkeit, Objekte über einen längeren Zeitraum ohne Energieaufwand und Wartung kühl zu halten, könnte das Kühlverfahren etwa bei der Verschickung von empfindlichen Gütern wie Medikamenten zum Einsatz kommen. Besonders hilfreich wären die Effekte dabei vor allem beim Transport in warmen Regionen der Welt, in denen eine kontinuierliche Kühlung durch Klimaanlagen problematisch ist. Der Einsatz zur Kühlung von großen Objekten scheint zumindest bisher hingegen noch nicht sinnvoll, sagen die Forscher. “Die Materialkosten für unser Aerogel sind zwar niedrig, bisher stellen die Herstellungskosten aufgrund des Trocknungsschritts allerdings einen kritischen Aspekt für die Skalierbarkeit dar”, sagt Grossman. Doch den Forschern zufolge lässt sich auch dieses Problem durch weitere Entwicklungen möglicherweise noch beseitigen.
Quelle: Cell Press, Fachartikel: Joule, doi: 10.1016/j.joule.2020.10.005
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