KAUST-Wissenschaftler haben ein einfaches Kühlsystem entwickelt, das auf Sonnenenergie und dem Kühleffekt der Salzwasserverdunstung basiert und zur Kühlung in heißen Regionen mit eingeschränktem Zugang zu Elektrizität genutzt werden könnte. Bildnachweis: © 2021 KAUST; Veronika Moraru
Passives Kühlgerät mit starker Sonneneinstrahlung
Ein einfaches Kühlsystem, das durch die Erfassung passiver Sonnenenergie angetrieben wird, könnte eine kostengünstige Lebensmittelkühlung und Wohnraumkühlung für verarmte Gemeinden ohne Zugang zum Stromnetz bieten. Das System, das ohne elektrische Komponenten auskommt, nutzt den starken Kühleffekt, der entsteht, wenn bestimmte Salze in Wasser gelöst werden. Nach jedem Kühlzyklus nutzt das System Sonnenenergie, um das Wasser zu verdampfen und das Salz für die Wiederverwendung zu regenerieren.
„Heiße Regionen verfügen über ein hohes Maß an Sonnenenergie, daher wäre es sehr attraktiv, diese Sonnenenergie zur Kühlung zu nutzen“, sagt Wenbin Wang, Postdoc in Peng Wangs Labor. In vielen Teilen der Welt besteht aufgrund des Klimawandels ein größerer Kühlbedarf, aber nicht jede Gemeinde hat Zugang zu Strom für Klimatisierung und Kühlung. „Wir haben ein netzunabhängiges Solarenergieumwandlungs- und Speicherdesign für eine umweltfreundliche und kostengünstige Kühlung konzipiert“, sagt Professor Wang.
Das von KAUST-Ingenieuren konzipierte Kühlsystem könnte zur Kühlung von Räumen in Haushalten eingesetzt werden. Bildnachweis: © 2021 KAUST; Wenbin Wang
Das Team entwarf ein zweistufiges Kühl- und Regenerationssystem, wobei der Kühlschritt auf der Tatsache basiert, dass das Auflösen bestimmter gewöhnlicher Salze in Wasser Energie absorbiert, wodurch das Wasser schnell gekühlt wird. Nach dem Vergleich einer Reihe von Salzen ist Ammoniumnitrat (NH4NEIN3) erwies sich als herausragender Leistungsträger mit einer Kühlleistung, die mehr als viermal höher ist als die seines engsten Konkurrenten, Ammoniumchlorid (NH4Cl). Die außergewöhnliche Kühlkraft des Ammoniumnitratsalzes ist auf seine hohe Löslichkeit zurückzuführen. „NH4NEIN3Die Löslichkeit von erreichte 208 Gramm pro 100 Gramm Wasser, während die anderen Salze im Allgemeinen unter 100 Gramm lagen“, sagt Wenbin. „Ein weiterer Vorteil dieses Salzes ist, dass es sehr günstig ist und bereits vielfach als Dünger verwendet wird“, fügt er hinzu.
Das System hat ein gutes Potenzial für Anwendungen zur Lebensmittellagerung, wie das Team zeigte. Als das Salz allmählich in Wasser in einem Metallbecher gelöst wurde, der in a gestellt wurde Polystyrol Schaumstoffbox sank die Temperatur des Bechers von Raumtemperatur auf rund 3.6 Grad Celsius und blieb über 15 Stunden lang unter 15 Grad Celsius.
Sobald die Salzlösung Raumtemperatur erreicht hatte, nutzte das Team Solarenergie, um das Wasser mit einem maßgeschneiderten becherförmigen 3D-Solarregenerator zu verdampfen. Der Becher wurde aus einem Material hergestellt, das dafür ausgelegt ist, so viel wie möglich vom Sonnenspektrum zu absorbieren. Als das Wasser verdunstete, wurde das NH4NEIN3 Kristalle wuchsen über die Außenwand des Bechers. „Das kristallisierte Salz kann automatisch gesammelt werden, wenn das Salz aufgrund der Schwerkraft abfällt“, sagt Wenbin.
Einmal gesammelt, stellt das Salz effektiv eine gespeicherte Form von Sonnenenergie dar, die bei Bedarf wieder zum Kühlen verwendet werden kann.
Referenz: „Conversion and storage of solar energy for cooling“ von Wenbin Wang, Yusuf Shi, Chenlin Zhang, Renyuan Li, Mengchun Wu, Sifei Zhuo Sara Aleida und Peng Wang, 1. September 2021, Energie- und Umweltwissenschaften.
DOI: 10.1039/D1EE01688A
