Kühldemonstrator Wie künstliche Muskeln Kälte erzeugen

Die Universität des Saarlandes stellt auf der Hannover Messe eine Kältemaschine vor, die ohne klimaschädliche Kältemittel auskommt. Bei der eingesetzten elastokalorischen Technologie wird die Wärme mit Formgedächtnis-Drähten aus Nickel-Titan abtransportiert.

Ohne Kühlung ist unser Alltag nicht mehr vorstellbar: von Kühlschrank und Klimaanlage über Kühlsystem in Computer oder Auto bis hin zu komplexer Prozesskühlung in der Industrie. Und der Bedarf steigt – gerade im Hinblick auf die Klimaerwärmung. Ein Forscherteam an der Universität des Saarlandes hat nun eine Kühlmethode entwickelt, die im Gegensatz zu Kompressions-Kältemaschinen ganz ohne klimaschädliche Kältemittel auskommt und eine hohe Energieeffizienz besitzt.

Formgedächtnis-Materialien bringen die Lösung

Das Ergebnis des Teams um Professor Stefan Seelecke ist ein kontinuierlich laufender Kühldemonstrator, der Luft mit dem neuen elastokalorischen Verfahren kühlt. Es beruht nach eigenen Angaben auf Formgedächtnis-Drähten der Legierung Nickel-Titan, auch Nitinol genannt. Diese Drähte haben die Eigenschaft, ihre alte Form wieder anzunehmen, wenn sie verformt oder gezogen werden: Sie spannen also ähnlich wie Muskeln an und entspannen wieder. Der Grund hierfür liegt im atomaren Kristallgitter. Wird der Draht verformt oder gezogen, verschieben sich die Atom-Lagen und es kommt im Gitter Spannung auf. Diese Spannungen lösen sich, wenn der Draht anschließend wieder seine alte Form annimmt. Bei diesen Phasenumwandlungen nehmen die Drähte Wärme auf und geben sie wieder ab.

Diesen Effekt nutzten Seelecke und sein Team bei ihrer Kühlmaschine: „Wenn zuvor gespannte Nitinol-Drähte bei Raumtemperatur entlastet werden, kühlen sie sich um bis zu 20 Grad unter dem Umgebungsniveau ab“, erläutert der Professor für Intelligente Materialsysteme. Die Idee war nun, vorgedehnte, superelastische Formgedächtnis-Drähte in einen Raum zu bringen, wo sie sich entlasten, dabei stark abkühlen und hierbei dem Raum Wärme entziehen. Außerhalb des Raumes werden die Drähte erneut belastet, wobei die Wärme dort an die Umgebung abgegeben wird.

Die Saarbrücker Kühlmaschine als Forschungsergebnis

Wie die Wissenschaftler mitteilen, sorgt in einem Kühlkreislauf ein speziell konstruierter, zum Patent angemeldeter Nockenantrieb dafür, dass während der Rotation fortwährend Bündel aus 200 Mikrometer dicken Nitinol-Drähten gezogen und entlastet werden. In zwei separaten Kammern wird Luft durch die Bündel geblasen, die in der einen Kammer erwärmt und in der anderen gekühlt wird. Dadurch kann die Maschine kühlen, aber auch heizen. Der Prozess kann also auch als Wärmepumpe eingesetzt werden. Je nach Legierung soll die neue Kühltechnik bis zu dreißigmal mehr Wärme- oder Kühlleistung abgeben als sie mechanische Leistung beim Ziehen und Loslassen benötigt. Damit ist das System erheblich besser als derzeitige Wärmepumpen und herkömmliche Kühlschränke.

Elektrofahrzeug-Kühlung in Aussicht

Ihre elastokalorische Technologie wollen die Saarländer für die Kühlung in Elektrofahrzeugen weiterentwickeln. Hierzu arbeiten sie seit Januar 2022 mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft zusammen in einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Verbundprojekt namens „NEKKA – Entwicklung eines neuartigen elastokalorischen Klimasystems“, das einen Gesamtumfang von sechs Millionen Euro hat. Ihr Teilvorhaben wird mit rund einer Million Euro gefördert. „Ziel ist es, ein alternatives Klimatisierungssystem für Fahrzeuge aller Fahrzeugklassen zu entwickeln, zu simulieren und zu validieren: Es soll kontinuierlich Wärme und Kälte zur Verfügung stellen und zugleich effizienter, umweltverträglicher und nachhaltiger als bisherige Verfahren sein. Außerdem soll unsere Technik im Vergleich kleiner, leichter und kostengünstiger sein“, erläutert Ingenieur Paul Motzki, Forscher in Seeleckes Team.

Der Kühldemonstrator kann auf der Hannover Messe vom 30. Mai bis 2. Juni in Halle 2 am Stand B28 besichtigt werden.

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