Einsteins Kühlschrank

Verrückte Professoren in US-Amerikanischen Filmen müssen wie Albert Einstein aussehen. Christopher Lloyd hat als Doc Emmett Brown in Zurück in die Zukunft Maßstäbe gesetzt:

Als Begründer der Relativitätstheorie ist Einstein indirekt auch verantwortlich dafür, dass GPS-Navigationsgeräte korrekt funktionieren. Einstein war allerdings auch ein praktisch veranlagter Erfinder.

Aufwachsen in der Elektrotechnischen Fabrik J. Einstein & Cie, Hersteller von Dynamomaschinen, Bogenlampen, Mess- und ‚Regulirapparaten‘ hat Einstein u.a. den Kreiselkompass verbessert und an Zündmechanismen von Torpedos gearbeitet.

Gemeinsam mit Leó Szilárd veröffentlichte Einstein ca. 20 Patente, u.a. das Konzept eines Kühlschranks, der keine elektrische Energie benötigt.

Wie funktioniert der ‚Einstein-Kühlschrank‘?

Jede Kältemaschine (wie ein Kühlschrank oder eine Wärmepumpe) basiert darauf, dass ein Kältemittel bei bei hoher Temperatur und hohem Druck kondensiert wird und bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur verdampft. Beim Verdampfen wird der Umgebung Wärme entzogen.

Variante 1 – Absorptionskältemaschine

Die Druckdifferenz kann durch einen mechanischen Kompressor erzeugt werden, der durch elektrische Energie angetrieben wird. Hat man aber ‚Wärme übrig‘, kann diese direkt zum ‚Antrieb‘ verwendet werden, leider wird das Schema dadurch etwas komplizierter.

Verwendet man eine Mischung von Arbeitsstoffen, kommt es auf den Partialdruck des Kältemittels an: Verwendet man z.B. in Wasser gelöstes Ammoniak als Kältemittel, erhöht man dessen Partialdruck durch Erhitzen – Ammoniak wird aus der Lösung ausgetrieben.

Variante 2 – Einstein-Maschine mit drei Arbeitsmedien

Im Einstein-Szilárd-Prozess werden drei Substanzen verwendet: Ammoniak, Butan und Wasser:

Hier die eingefärbte Patentzeichnung, zum Patent US1781541 A von Albert Einstein und Leó Szilárd:

Einstein Refrigerator pat1781541 clarified

Das eigentliche Kältemittel ist Butan: der Kühleffekt wird dort erzielt, wo der Partialdruck von Butan verringert wird (Verdampfer – Evaporator). Mit geringerem Dampfdruck sinkt die Verdampfungstemperatur, Butan verdampft und kühlt dabei die Umgebung. Der gesamte Dampfdruck ist beim Verdampfen konstant, da der Dampfdruck von Butan gerade dadurch verringert wird, dass Ammoniak vom Generator zugeführt wird (hellgelbe Leitung D).

Im Verflüssiger (Intermediate Condenser) wird der Dampfdruck von Butan wieder erhöht, indem das Ammoniak aus dem Dampfgemisch entfernt wird. Für diesen Schritt wird Wasser benötigt: Wasser wird in den Ammoniak-Butan-Dampf eingesprüht (Leitung 37). Ammoniak bleibt eher an den Wassertröpfchen kleben als Butan (‚höhere Affinität‘) und wird mit ihnen in das Flüssigkeitsgemisch befördert. Damit steigt der Partialdruck von Butan beinahe auf den gesamten Druck an; die Verdampfungstemperatur steigt und Butan wird verflüssigt.

Im Verflüssiger gibt es zwei Flüssigkeitsgemische, Butan-Ammoniak (rosa) und Ammoniak-Wasser (gelb). Bei den verwendeten Drücken und Temperaturen vermischen sich diese Gemische nicht untereinander, sondern bleiben durch ihre unterschiedlichen Dichten getrennt.

Angetrieben wird der Prozess durch den Generator: Die Ammoniak-Wasser-Mischung, die vom unteren Teil des Verflüssigers abgeführt wurde, wird durch Erhitzen getrennt. Das Wasser steht damit wieder im Verflüssiger zur Verfügung und das Ammoniak im Verdampfer – die Kreisläufe werden geschlossen.

Der Gesamtdruck in allen Komponenten ist nahezu in allen Schritten konstant.

In den Einstein-Szilárd-Patenten wurden verschiedene Kältemittel-Kombinationen und Prinzipien vorgeschlagen – eine davon wurde 2005 nachgebaut.

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Literatur:

Einstein-Biographie von Jürgen Neffe
Detailanalyse der Funktion des ‚Einstein-Kühlschranks‘
Albert Einstein als Erfinder

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