Zukunftsträchtige Klimatechnologie: Elastokalorik Erster Kühlschrank kühlt mit künstlichen Muskeln

Der Mini-Prototyp, den das Team der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki vom 22. bis 26. April auf der Hannover Messe vorstellt, zeigt, dass die Elastokalorik praxistauglich wird. Diese klimaschonende Kühl- und Heiztechnologie ist weit energieeffizienter und nachhaltiger als die heutigen Verfahren. Das Forschungsteam entwickelt die neue Klimatechnik in mehreren Forschungsprojekten an der Universität des Saarlandes und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA).

Kühlen ohne klimaschädliche Kältemittel

Die neue Technologie, die jetzt in einem kleinen, kompakten Kühlschrank-Prototypen steckt, beruht auf einem verblüffend schlichten Prinzip: Wärme wird aus einem Raum abtransportiert, indem Drähte gezogen und wieder entlastet werden. Die sogenannten Formgedächtnisdrähte aus der superelastischen Legierung Nickel-Titan, auch künstliche Muskeln genannt, nehmen dabei in der Kühlkammer Wärme auf und geben diese außen wieder ab.

„Mit unserem Verfahren, der Elastokalorik, erreichen wir beim Kühlen Temperaturdifferenzen von rund 20 °C ohne klimaschädliche Kältemittel und weit energieeffizienter als mit den heute üblichen Techniken“, erklärt Professor Seelecke, der an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) forscht

Der Wirkungsgrad elastokalorischer Materialien beläuft sich auf mehr als das Zehnfache im Vergleich zu heutigen Klimaanlagen oder Kühlschränken. Das Energieministerium der USA wie auch die Kommission der Europäischen Union deklarierten die Saarbrücker Klimatechnologie bereits als zukunftsträchtigste Alternative zu den bisherigen Verfahren.

Die Zukunft für umweltfreundliche Kühltechnik?

Sie kann weit größeren Räumen Wärme entziehen als der kleinen Kühlkammer, mit der die Ingenieurinnen und Ingenieure jetzt die Elastokalorik auf der Hannover Messe demonstrieren. Und sie kann auch weit größeren Räumen Wärme zuführen: Der Wärmetransport durch die superelastischen Drähte funktioniert auch als Wärmepumpe. „Auch beim Heizen erreichen wir Temperaturdifferenzen von rund 20 °C“, sagt Seelecke. Vor dem Hintergrund von Klimawandel und Energieknappheit bei zugleich steigendem Bedarf an Kühlung und Heizen ist das Verfahren also vielversprechend.

Um Wärme zu transportieren, nutzen die Forscher die besondere „Superkraft“ der künstlichen Muskeln aus Nickel-Titan: das Formgedächtnis. Drähte dieser Legierung erinnern sich an ihre ursprüngliche Form und nehmen diese wieder an, nachdem sie verformt oder gezogen werden. Ähnlich wie Muskeln werden sie lang und wieder kurz, können entspannen und anspannen. Der Grund hierfür liegt tief im Inneren der Legierung Nickel-Titan: Diese hat zwei Kristallgitter, zwei Phasen, die sich ineinander umwandeln können. Anders als bei Wasser sind die Phasen nicht fest, flüssig und gasförmig, sondern beide fest.

Bei diesen Phasenumwandlungen der Kristallstruktur nehmen die Drähte Wärme auf und geben sie wieder ab: „Das Formgedächtnismaterial gibt Wärme ab, wenn es im superelastischen Zustand gezogen wird, und nimmt Wärme auf, wenn es entlastet wird“, erläutert Professor Paul Motzki, der eine Brückenprofessur zwischen der Universität des Saarlandes und ZeMA innehat, wo er den Forschungsbereich „Smarte Materialsysteme“ leitet. Der Effekt wird verstärkt, wenn mehrere Drähte gebündelt werden: Sie nehmen durch die größere Oberfläche mehr Wärme auf und geben mehr Wärme wieder ab.

Ein Kühlsystem aus Nickel-Titan-Drähten

So simpel das Prinzip auf den ersten Blick scheint, so komplex sind die Forschungsfragen, die zu klären sind, will man damit einen Kühlkreislauf konstruieren. Im Mini-Kühlschrank, den das Forschungsteam jetzt in Hannover vorstellt, sorgt ein speziell konstruierter, patentierter Nockenantrieb dafür, dass Bündel aus 200 µm dünnen Nickel-Titan-Drähten fortwährend um eine runde Kühlkammer rotieren: „Während sie im Kreis wandern, werden sie auf der einen Seite belastet, also gezogen, und auf der anderen Seite entlastet“, erklärt Doktorand Lukas Ehl, der am Kühlsystem arbeitet.

Luft wird an den rotierenden Bündeln vorbei in die Kühlkammer geleitet, wo die Drähte entlastet werden und so der Luft Wärme entziehen. In der Kühlkammer zirkuliert die Luft dann dauerhaft um entlastete Drähte. Beim Weiterdrehen transportieren die Drähte Wärme aus der Kühlkammer heraus und geben sie ab, indem sie außen wieder gezogen, also belastet werden. „Etwa 10 bis 12 °C können auf diese Weise in der Kühlkammer erreicht werden“, sagt Student Nicolas Scherer, der im Rahmen seiner Masterarbeit am Projekt forscht.

Die Saarbrücker Ingenieurinnen und Ingenieure forschen daran, wie der Antrieb die Drähte permanent in Gang hält, wie die Luftströme aussehen, wie die Abläufe am effizientesten sind, wie viele Drähte sie bündeln müssen, wie stark diese idealerweise für eine bestimmte Kühlleistung gezogen werden und vieles mehr. Sie haben auch eine Software entwickelt, mit der sie die Heiz- und Kühltechnik für verschiedene Anwendungen anpassen und Kühlsysteme simulieren und planen können. Und sie erforschen den kompletten Kreislauf von Materialherstellung und Recycling bis zur Produktion.

Anwendung auch in der Industrie- und Elektrofahrzeugkühlung

Allein bei Kühlschränken soll es nicht bleiben. „Wir wollen das Innovationspotenzial der Elastokalorik in verschiedenste Anwendungsgebiete einbringen, etwa in die Industriekühlung, auch in die E-Mobilität zur Kühlung in Elektrofahrzeugen oder den Haushaltsgerätesektor“, erläutert Paul Motzki.

Die neue Technologie ist das Ergebnis aus mehr als einem Jahrzehnt Forschung in mehreren in Millionenhöhe geförderten Forschungsprojekten und in mehrfach ausgezeichneten Doktorarbeiten. Unter anderem die EU und die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG fördern beziehungsweise förderten die Forschung. Das Bundesforschungsministerium investiert mehr als 17 Millionen Euro im Projekt DEPART!Saar, bei dem die Forscherinnen und Forscher mit Wissenschaftseinrichtungen und Industriepartnern zusammenarbeiten.

Ziel ist, neue Technologietransfer-Formate hervorzubringen und den Weg in den Markt zu beschleunigen. In mehreren Forschungsprojekten und Doktorarbeiten haben die Ingenieurinnen und Ingenieure auch einen Kühl- und Heizdemonstrator entwickelt, der kontinuierlich laufen kann und zeigt, wie Elastokalorik Luft kühlen und erwärmen kann.

Auf der Hannover Messe demonstrieren die Saarbrücker Expertinnen und Experten für intelligente Materialsysteme die Vielseitigkeit ihrer Formgedächtnis-Technologie auch in Form von smarten Kleinantrieben, energieeffizienten Robotergreifern und weichen Roboterarmen in Form von Elefantenrüsseln.