Schoon koelen met plastic kristallen

Materialen Koelen met plastic kristallen is klimaatneutraal en goedkoop. Maar de traditionele manier is nog altijd energiezuiniger.

Oude koelkasten
Oude koelkasten Richard Clark

De schadelijke broeikasgassen waarmee koelkasten en airco’s koelen, kunnen mogelijk vervangen worden door ‘plastic kristallen’. Dit zijn niet de plastic edelstenen op speelgoedsieraden, maar een klasse flexibele vaste stoffen die opwarmt onder druk en afkoelt als die druk weer verdwijnt.

Chinese onderzoekers beschrijven in een artikel dat woensdag verscheen in Nature dat deze materialen gebruikt kunnen worden als koeltechniek. Ze tonen aan dat plastic kristallen tot tien keer meer warmte of kou kunnen opslaan dan andere vastestofkoelmaterialen. Energiezuiniger dan de huidige gaskoelkasten is de techniek (nog) niet.

Gassen die samengeperst worden

Er wordt al langer gekeken naar koelen met vaste stoffen omdat dit duurzamer is dan de huidige koeltechnieken. Die werken meestal met gassen die samengeperst worden tot een vloeistof. Daarbij komt warmte vrij. Als de druk vervolgens omlaag gebracht wordt, verdampt de vloeistof tot gas. Daarbij onttrekt het warmte uit de omgeving. Zo koelt het gas bijvoorbeeld een koelkast.

De gassen in koelingsapparaten zijn meestal fluorkoolwaterstoffen (hfk’s) of alkanen. Die zijn niet schadelijk voor de ozonlaag, zoals de chloorfluorkoolstofverbindingen (cfk’s), die tot de jaren negentig gebruikt werden. Maar het zijn wel sterke broeikasgassen. Een kilogram hfk’s draagt net zoveel bij aan de opwarming van de aarde als twee ton CO2. In oktober 2016 is door alle landen van de Verenigde Naties afgesproken om het gebruik van hfk’s sterk terug te dringen, zoals eerder gebeurde met de cfk’s. Daarom zoekt de koelwereld nieuwe materialen en technieken, vertelt Ekkes Brück, hoogleraar fundamental aspects of materials and energy aan de TU Delft.

Een maximale verandering van temperatuur vergde een druk van 900 bar

„Andere gassen, die minder zware broeikasgassen zijn, hebben als nadeel dat ze licht ontvlambaar zijn”, zegt hij. „Dat heb je liever niet in huis.”

Plastic kristallen kunnen een alternatief zijn. Ze produceren geen broeikasgassen, zijn goedkoop, gemakkelijk te produceren en licht. In deze materialen, zoals neopentylglycol, zijn de moleculen gerangschikt in een kristalroosterstructuur. In tegenstelling tot andere kristallen kunnen ze gemakkelijk ingedrukt en vervormd worden, vandaar de term ‘plastic’.

Netjes in een kristalstructuur

Hun verkoelende werking hebben plastic kristallen te danken aan de bewegingsvrijheid van hun moleculen. Bij een bepaalde temperatuur en druk (die per type plastic kristal verschilt) bevindt het zwaartepunt van de moleculen zich netjes in een kristalstructuur, maar draaien ze vrij om hun as. Daardoor is hun oriëntatie ten opzichte van elkaar rommelig; ze staan niet netjes met hun neuzen dezelfde kant op. Wanneer er druk op het materiaal uitgeoefend wordt, schieten de moleculen in een ordelijk oriëntatiepatroon. Door van wanorde naar orde te gaan, komt er energie vrij in de vorm van warmte.

Dit gebeurt ook bij een rubberen elastiekje. Als je het uitrekt komen de moleculen ordelijker te liggen. Daarbij komt warmte vrij. Dat kun je testen door een elastiekje snel uit te rekken en tegen je huid te houden.

Als je de druk vervolgens weer verlaagt, dan keert de rommelige rangschikking terug. Dat kost energie die wordt verkregen door warmte uit de omgeving te onttrekken. Zo koelt het materiaal zijn omgeving.

Vloeistof laten stromen

Die kou moet je vervolgens transporteren naar de ruimte die je wilt koelen, bijvoorbeeld een koelkast. Dat doe je door langs het koude materiaal een vloeistof (zoals water) te laten stromen. Die gekoelde vloeistof kun je gemakkelijk verplaatsen, legt Brück uit. Zelf werkt hij aan vaste stoffen die niet met druk, maar met magnetische velden tot een ordelijke rangschikking gedwongen worden. Hij bouwt ‘magnetische koelkasten’.

Brück is enthousiast over het Chinese onderzoek. „Ze beschrijven niet alleen de eigenschappen, maar modelleren en meten ook wat er precies gebeurt in de plastic kristallen.”

Voor een maximale temperatuurverandering in een plastic kristal hadden de onderzoekers een druk nodig van 900 bar (900 keer zoveel als de luchtdruk op zeeniveau). „Dat is bijna honderd keer minder dan nodig is bij andere vastestofkoelingen. Dus het gaat de goede kant op”, zegt Brück. „Maar het is nog steeds erg hoog voor praktische toepassingen.”

„Daarnaast is de warmtegeleiding van plastic kristallen niet zo goed”, vervolgt hij. Dat maakt het lastig om warmte of kou aan het materiaal te onttrekken. Het koelt zelf dus wel efficiënt, maar er zijn complexe, technische stappen nodig om die temperatuursverandering elders te gebruiken, zegt Brück. „Ik blijf voorlopig bij de magnetische koelkasten.”

Lees over Guus Velders, die onderzoek doet naar fluorkoolwaterstoffen: Nederlandse chemicus in Time-top-100 invloedrijkste personen