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Hintergrund: Carl von Linde und die Kühltechnik

Carl von Linde – Ingenieur, Erfinder und Unternehmer

  • Die Schwarzweiß-Aufnahme zeigt eine Baumwollspinnerei im 19. Jahrhundert. Linde war von Maschinen und Technik fasziniert; Rechte: AKG
  • Schwarzweiß-Porträt von Carl von Linde. Carl von Linde Anfang des 20. Jahrhundert; Rechte: dpa

Carl von Linde wurde am 11. Juni 1842 als drittes von neun Kindern in Berndorf (Oberfranken) geboren. Sein Vater war evangelischer Pfarrer. Die Großfamilie hatte wenig Geld. Als der Vater die Pfarrei in Kempten übernahm, zog die Familie um. Carl besuchte das Gymnasium und lernte über einen Schulfreund die Familie des Direktors der Aktienbaumwollspinnerei kennen. Er besuchte die Fabrik häufig und begann, sich für Technik zu interessieren.

Carls Entschluss, Ingenieur zu werden, stand fest. Er schaffte es, seinen Vater zu überzeugen und begann 1861 sein Studium des Maschinenbaus an der damals führenden technischen Hochschule, dem Polytechnikum in Zürich. Doch nachdem er an einem Studentenprotest teilgenommen hatte, musste er 1864 die Universität ohne Abschluss verlassen. Glücklicherweise stellten zwei seiner Professoren ihm trotzdem Empfehlungsschreiben aus, sodass Linde eine Stelle als Ingenieur in einem Berliner Zeichenbüro erhielt. 1866 wurde er Vorstand des technischen Büros in der Lokomotivenfabrik Krauss & Co. in München. Im gleichen Jahr heiratete er Helen Grimm. Im Laufe der 53-jährigen Ehe bekam das Paar sechs Kinder.

1868 wurde Linde zum Professor an der Polytechnischen Schule in München ernannt. Von nun an beschäftigte Linde sich intensiv mit der Theorie der Kältemaschinen. Im Laufe seines Lebens engagierte Linde sich in vielen Vereinen: Er rief seine eigene "Gesellschaft für Linde's Eismaschinen" ins Leben und war an der Gründung des Deutschen Museums in München beteiligt. Außerdem war er Mitglied in einigen Aufsichtsräten. Ab 1910 zog Linde sich mehr und mehr aus dem Arbeitsleben zurück. Er starb 1934 im Alter von 92 Jahren in München.

Die Wärmelehre

  • Gemälde von Robert Brown. Robert Brown 1820; Rechte: AKG
  • Patenturkunde vom kaiserlichen Patenamt über das "Verfahren zur Verflüssigung atmosphärischer Luft oder anderer Gase". 1895 erhält Carl von Linde das Patent

Um das Prinzip vom Kühlschrank zu verstehen, muss man ein paar wichtige Aussagen der Thermodynamik (Wärmelehre) kennen.

Gase bestehen aus vielen kleinen, unsichtbaren Teilchen. Das entdeckte der englische Arzt Robert Brown 1827. Die Gasteilchen bewegen sich ständig und stoßen dabei aneinander. Gase nehmen immer so viel Platz ein, wie sie können. Anders ist das bei Flüssigkeiten und festen Stoffen. Da ziehen die Teilchen sich untereinander an und es ist nicht viel Platz zwischen den Teilchen. Deshalb kann man feste und flüssige Stoffe auch nicht zusammenpressen oder "komprimieren", wie es in der Fachsprache heißt.

Ganz anders liegt die Sache bei Gasen: Der Abstand zwischen den einzelnen Teilchen ist groß, sodass die Teilchen noch viel enger zusammengepresst werden können. Wird ein Gas komprimiert, stoßen die Gasteilchen häufiger gegeneinander und die Temperatur des Gases steigt. Bei sehr hohem Druck wird das Gas flüssig.

Damit eine Flüssigkeit verdunsten kann, also vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechseln kann, benötigt sie Energie. Diese Energie entziehen sie der Umgebung in Form von Wärme. Deshalb kühlt die Umgebung ab. Diese Verdunstungskälte spürt man zum Beispiel, wenn man mit nassem Körper draußen rumläuft. Das Wasser auf dem Körper verdunstet und holt sich die Energie dafür von der warmen Haut. Das Ergebnis: Die Haut wird kalt und wir frieren.

Bei der Kühltechnik gibt es noch ein interessantes Phänomen: Das Kühlmittel nimmt im Innern des Kühlschranks Energie, also Wärme auf. Die warme Kühlflüssigkeit wird aus dem Kühlschrank heraus geleitet und gibt genau diese Wärmemenge wieder ab. In der Thermodynamik ist dies im "Ersten Hauptsatz" beschrieben. Er sagt: Die gesamte Energie in einem System bleibt immer gleich. Das heißt, wenn Wärme aufgenommen wird, wird sie an einer anderen Stelle wieder abgegeben.

Lindes Technik

  • Die Schwarzweiß-Aufnahme zeigt den ersten Linde-Kühlschrank aus dem Jahre 1910. Der erste automatische Kühlschrank; Rechte: AKG
  • Die Aufnahme zeigt die Kühlrippen von zwei Kühlschränken. Kühlrippen dienen der Wärmeableitung; Rechte: WDR

1871 entwarf Linde seine erste Kältemaschine. Seine Erfindung basiert auf den Gesetzen der Wärmelehre. Im Kühlschrank wird ein Kühl- oder Kältemittel durch Metallröhren im Kreis gepumpt. Das Kühlmittel ist eine Flüssigkeit, die bei normalem Druck schon bei niedrigen Temperaturen "kocht", also gasförmig wird. Ammoniak zum Beispiel verdampft schon bei minus 33 Grad. Dieses Kühlmittel gelangt über Metallrohre in den Innenraum des Kühlschranks. Auch Temperaturen von vier Grad sind für das Kühlmittel so warm, dass es verdampft. Die Verwandlung vom flüssigen in den gasförmigen Zustand kostet Energie, deshalb wird der Umgebung dabei Wärme entzogen: Das Kühlschrankinnere wird noch kälter.

Dann wird das Gas wieder aus dem Kühlschrank herausgesaugt und mit einem Kompressor zusammengepresst. Dabei erwärmt es sich und wird flüssig. Die warme Flüssigkeit wird durch Kühlrippen an der Rückseite des Kühlschranks geleitet und gibt die Wärme wieder ab. Deshalb fühlt sich der Kühlschrank hinten auch immer warm an. Die Flüssigkeit fließt anschließend wieder in den Verdampfer, wo der Druck deutlich niedriger ist. Deshalb verdampft das Kühlmittel wieder und der Kreislauf beginnt von vorne. Man sieht: Der Kühlschrank erzeugt keine Kälte, sondern er entzieht dem Innern Wärme. Oder anders gesagt: Kalt ist es da, wo keine Wärme ist.

Carl von Linde hat außer dem Kühlschrank auch ein Verfahren entwickelt, mit dem man Luft flüssig machen kann. Beim "Linde-Verfahren" fließt Luft so lange im Kreis, bis sie flüssig wird, und das geht so: Als erstes wird die Luft mit einem Kompressor stark zusammengepresst. Dann wird sie über ein Ventil abgelassen. Weil sie sich ausbreitet, kühlt sie stark ab. Diese kalte Luft wird dann außen an der Luft vorbeigeleitet, die gerade vom Kompressor verdichtet wurde. Dadurch kühlt diese dichte, wärmere Luft schon ab, bevor sie über das Ventil abgelassen wird. Wenn sie sich dann ausbreiten kann, wird sie noch kälter. Weil die Luft im Kreis fließt, gelangt sie schließlich wieder in den Kompressor. Danach wird sie dann wieder von der vorbeiströmenden kalten Luft, die aus dem Ventil strömt, abgekühlt. Da die Luft schon ziemlich kalt war, als sie zum zweiten Mal in den Kompressor kam, wird sie durch das erneute Verdampfen noch kälter. Irgendwann ist die Luft dann so kalt, ungefähr -190 °C, dass sie flüssig wird.

Der Siegeszug des Kühlschranks

  • Ein Werbeplakat der Firma AEG aus den 1950er Jahren zeigt eine Familie an ihrem Kühlschrank. Werbeplakat aus den 1950er Jahren; Rechte: AEG
  • Ein Werbeplakat der Firma AEG aus den 1950er Jahren zeigt eine Familie an ihrem Kühlschrank. Kühlschränke in jedem Haushalt; Rechte: AEG

Das Problem, Nahrungsmittel über längere Zeit haltbar zu machen und dafür kühl zu lagern, ist uralt. Schon die Steinzeitmenschen hatten Eishöhlen, in die sie ihre Beutetiere hineinstürzten, um sie für später auszuheben. Über die Jahrtausende fand man natürliche Kühlstellen wie Höhlen, Gewölbe und Keller. Die ersten Eiskeller gab es schon 1140 vor Christus. In der Antike wurde regen mit Eis und Schnee gehandelt. Noch bis ins 20. Jahrhundert nutzte man hauptsächlich natürliches Eis. Doch Natureis gab es nur im Winter. So versuchte man früh, Möglichkeiten zu finden, um Eis künstlich herzustellen.

Mit Lindes Kältemaschine waren diese Probleme gelöst. In den USA begann 1926 die Fließbandfertigung von Kühlschränken. 1931 rollte der millionste Kühlschrank vom Band. Bis Ende der 30er Jahre besaßen rund 70 Prozent der amerikanischen Haushalte einen Kühlschrank. In Deutschland blieb der Kühlschrank noch lange ein Luxusartikel. Er war für den Durchschnittshaushalt einfach zu teuer und zu sperrig. Außerdem hatten noch längst nicht alle Haushalte Strom. Erst in den 50er Jahren setzte sich der Kühlschrank auch in Deutschland durch.

Seit den dreißiger Jahren wurden als Kühlmittel Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) bedenkenlos eingesetzt. Doch Ende der 80er Jahre stellte man fest, dass FCKW die Ozonschicht zerstören. Mit dem Verbot von FCKW 1995 mussten andere effektive Kühlmittel gefunden werden. Zunächst verwendete man hauptsächlich Butan oder Propan (beides Kohlenwasserstoffe), die aber den Nachteil haben, dass sie brennbar sind. Wenn sie also durch Beschädigung freigesetzt werden, kann es leicht zu einer Explosion in der Küche kommen. In modernen Kühlschränken findet man heute, neben Butan und Propan, diverse andere Kohlenwasserstoffe.

Einsteins Kühlschrank

  • Das Schwarzweiß-Foto zeigt Albert Einstein, der eine Formel an eine Tafel schreibt. Einsteins Kühl-Idee; Rechte: AKG
  • Ein Mitarbeiter der Firma Linde arbeitet an einem Kühlregal. Die Firma Linde steht für Kältetechnik; Rechte: dpa/Werner Baum

Auch das große Genie Albert Einstein hat sich an einem Kühlschrank versucht. Der Anlass dafür war wahrscheinlich eine Zeitungsmeldung über eine Tragödie: Eine ganze Familie war ums Leben gekommen, nachdem aus ihrem Kühlschrank giftige Gase ausgetreten waren. Damals wurden noch die giftigen Kühlmittel Ammoniak, Methylchlorid und Schwefeldioxid verwendet. Einstein beschloss, gemeinsam mit dem Physiker Leo Szilard, einen ungefährlichen Kühlschrank zu entwickeln, der auch noch keinen Strom brauchte. Seine Grundidee war, die Pumpe wegzulassen, damit diese nicht mehr undicht werden konnte. 1927 erarbeiteten Einstein und Szilard mehrere Entwürfe für einen kompressorlosen Kühlschrank.

Schließlich meldeten die beiden drei Patente an. Zwei davon kaufte die schwedische Firma Elektrolux. Gebaut wurden die Kühlschränke aber nicht, die Firma wollte wohl eher die eigenen Produkte vor Konkurrenz schützen. Ein Konzept von Einstein und Szilard basierte auf Ethanol (Trinkalkohol). Der Alkohol wurde durch Unterdruck zum Kochen und somit zum Verdampfen gebracht. Dabei entzog er der Umgebung Wärme. Da aber der Unterdruck mit einer Wasserstrahlpumpe erzeugt wurde, verbrauchte dieser Kühlschrank jeden Tag Unmengen an Wasser und mehr als einen halben Liter reinen Alkohol.

Ein anderes Prinzip, dass sich Einstein und Szilard ausdachten, war eine elektromagnetische Pumpe. Diese Pumpe trieb eine elektrisch leitende Flüssigkeit durch den Kühlschrank. 1928 wurde sogar ein Prototyp dieses Kühlschranks in Leipzig vorgestellt. Das Unangenehme an der Sache: Der Kühlschrank stieß einen durchdringenden Heulton aus. Mit der Entdeckung des ungiftigen Gases Freon in den USA kam aber auch für den elektromagnetischen Kühlschrank das Aus. Einstein hatte sich übrigens gut gegen Nachahmer gewappnet: In den Patenten gab er entweder falsche Maße und Daten an oder gar keine.