Einbahnstraße für Wärmestrahlung

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Jeder kennt den Frost einer kalten Winternacht bei klarem Sternenhimmel. Auf dem freien Feld spürt man die Kälte deutlich, in einem Wald oder unter einem schützenden Dach weniger. Der Grund ist Wärmestrahlung, die vom Körper abgegeben wird, während je nach Umgebung eine geringere Wärmestrahlung empfangen wird. Das Universum ist mit -270°C viel kälter als unsere direkte Umgebung, daher strahlt es kaum zurück. Seit Kurzem entwickeln Wissenschaftler weltweit neuartige Methoden, um durch Wärmeaustausch mit dem Universum ohne weiteren Energieeinsatz Gebäude oder auch Kleidung sogar bei Tageslicht abzukühlen. Potenzielle Anwendungen für technologische oder experimentelle Zwecke auf kleinerer Skala wurden bisher aber kaum untersucht.

Einer Forschungsgruppe um Professor Jochen Feldmann ist es am Nano-Institut der LMU nun gelungen, durch die gezielte Lenkung von Wärmestrahlen berührungslos einen Kältegradienten in einer Probe zu erzeugen. „Wir haben dabei das ferne Universum durch einen entfernt stehenden Kryostaten simuliert“, sagt Nicola Kerschbaumer, Doktorandin in Feldmanns Team und Erstautorin der Studie. Ein Kryostat ist ein Kühlgerät, mit dem sehr tiefe Temperaturen erreicht und konstant gehalten werden können. Mithilfe von spezieller Optik und elliptischen Spiegeln konnten die Forscher die langwellige Wärmestrahlung der Probe sammeln und gezielt zum Kryostat lenken. Auf diese Weise erzeugen sie eine Art „Einbahnstraße“ für die Wärmestrahlung und die Probe wird gekühlt. In einer ersten Anwendung zeigte sich diese kontaktlose Kühlung besonders gut für das sogenannte „Unterkühlen“ von Flüssigkeiten geeignet.

Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihre neue Methode, durch „Strahlungskühlung“ (engl. radiative cooling) berührungslos einen Kältegradienten in einer Probe zu erzeugen, viele weitere Anwendungen finden wird. Nach Einschätzung von PD Theobald Lohmüller, Leiter der Biophotonik-Gruppe am Nano-Institut und ebenfalls Autor der Studie, werden kontaktfreie thermische Manipulationen insbesondere bei biologischen Proben von großem Interesse sein.

Publikation:
N. M. Kerschbaumer, S. Niedermaier, T. Lohmüller, and J. Feldmann:
Contactless and spatially structured cooling by directing thermal radiation.
Scientific Reports 11, 16209 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41598-021-95606-2
Kontakt:
Prof. Dr. Jochen Feldmann und M. Sc. Nicola Kerschbaumer
Chair for Photonics and Optoelectronics
Nano-Institute Munich
feldmann@lmu.de, nicola.kerschbaumer@lmu.de
www.phog.physik.uni-muenchen.de