Die Universität des Saarlandes präsentiert auf der Hannover Messe neue Entwicklungen zur Elastokalorik-Forschung für kältemittelfreie Kühlung: 3D-gedruckte Strukturen aus der Formgedächtnislegierung Nickel-Titan sollen den Wärmeübergang maximieren und die Technologie in Richtung Praxiseinsatz voranbringen.
Die Elastokalorik kommt ohne klimaschädliche Kältemittel, Öl oder Gas aus. Kühl- und Heizmittel sind hier Materialien aus Nickel-Titan, die beim Verformen Wärme abgeben und beim Entlasten Wärme aufnehmen. Auf der Hannover Messe zeigen die Teams, wie nah die Technologie bereits an der Anwendung ist – und suchen Partner aus Industrie und Forschung für weitere Einsatzfelder.
Nickel-Titan-Legierung als Grundlage der Elastokalorik
Die Elastokalorik beruht auf den besonderen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung Nickel-Titan, die sich beim Verformen anders verhält als übliche Metalle. Das Material besitzt zwei Phasen, die ineinander übergehen können. „Die Legierung ist bei Raumtemperatur in einer Hochtemperaturphase. Durch Zug oder Druck zwingen wir sie mechanisch in die Niedertemperaturphase. Dabei wird Wärme abgegeben, das Material wird warm. Hat das Material dann Umgebungstemperatur erreicht, entlasten wir es: Das Material wechselt wieder in die Hochtemperaturphase und entzieht dabei der Umgebung die Wärme: Das Material wird kalt“, erläutert Professor Paul Motzki den Kühlvorgang. Dieses Ziehen und anschließende Entlasten ist das Schlüsselprinzip der Technologie – zusätzliche Sensoren benötigt sie nicht.
Das Nickel-Titan-Material verfügt über integrierte Sensoreigenschaften: „Jede Verformung der Drähte lässt sich einem konkreten Messwert des elektrischen Widerstandes zuordnen. Wir können an den Messwerten ablesen, wie sich das Material gerade verformt. Damit ist ein Positionssensor gleich integriert“, so Motzki. Die EU-Kommission bezeichnet die Elastokalorik als „zukunftsträchtigste Alternative“ zu herkömmlichen Verfahren; das Weltwirtschaftsforum zählte sie zu den „TOP Ten Emerging Technologies“. Kühlen und Heizen verbrauchen weltweit enorme Energiemengen – mit dem Klimawandel ist die Tendenz steigend. Die Elastokalorik stellt im Vergleich zu herkömmlichen Methoden einen deutlich besseren Wirkungsgrad in Aussicht und arbeitet so sauber wie der Strom, der sie antreibt.
3D-gedruckte Strukturen erweitern die Elastokalorik-Forschung
Bisher erhöhte das Team um Paul Motzki die Kontaktfläche der Kühl- und Heizmittel durch das Bündeln haarfeiner Nickel-Titan-Drähte und dünner Bleche. Gemeinsam mit dem Team von Professor Dirk Bähre, Experten für Fertigungstechnologie und 3D-Druck an der Universität des Saarlandes, werden nun geometrisch komplexe Strukturen entwickelt, die im Inneren porös aufgebaut sind. Luft oder Wasser können durch diese Strukturen strömen und Wärme aufnehmen oder abgeben. Je größer die Oberfläche im Inneren wie Äußeren, desto effizienter läuft der Wärmeübergang ab.
„Es handelt sich um die nächste Ausbaustufe der Klimatechnologie Elastokalorik. Mit den neuen Strukturen sind wir noch auf dem Gebiet der Grundlagenforschung – aber wir arbeiten daran, auch diese Technologie zügig praxisreif weiterzuentwickeln“, erklärt Paul Motzki. Die Legierung wird für die Experimente Schicht für Schicht im 3D-Drucker gedruckt. Durch Tests soll ermittelt werden, welche der filigranen Formen sich für das Kühlen und Heizen am besten eignen.
Langlebigkeit und Wartung als Voraussetzung für den Praxiseinsatz
Parallel zur Grundlagenforschung an neuen Geometrien arbeitet das Team von Paul Motzki daran, die Elastokalorik als zug- oder druckbasiertes Kühlsystem für den Dauereinsatz in Kühlschränken und Kühlaggregaten tauglich zu machen. Die Ingenieurinnen und Ingenieure stimmen dafür Materialeigenschaften und Belastungsrhythmen aufeinander ab. „Wir wollen zum Beispiel bei den Drahtbündeln eine Lebensdauer von über einer Million Zyklen erreichen“, so Paul Motzki. Da auch das beste Material irgendwann ermüdet, werden die technischen Bauteile so konstruiert, dass sie leicht ausgetauscht werden können. „Von solcher Wartungsoptimierung hängt auch ab, dass sich die neue Kühltechnologie in der Praxis durchsetzen kann“, betont Motzki.
Die Forschungsarbeiten werden in mehrere Studiengänge der Universität des Saarlandes eingebunden, darunter Systems Engineering und Sustainable Materials and Engineering. Paul Motzki und Dirk Bähre beziehen zahlreiche Doktorandinnen und Doktoranden sowie Studierende in die Forschung ein.
Nationale und europäische Förderung der Elastokalorik
Mehrere Programme unterstützen die Weiterentwicklung der Technologie. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert das Projekt „DEPART!Saar“ im Rahmen der Förderlinie „T!Raum“ mit bis zu 18 Millionen Euro, mit dem Ziel, die Elastokalorik durch regionale Transferstrukturen schneller in die Anwendung zu bringen und die saarländische Wirtschaft zu stärken. Im Projekt SmartCool, gefördert vom Bundeswirtschaftsministerium, entwickeln die Volkswagen AG, das Fraunhofer IPM und die Firma Ingpuls gemeinsam mit dem Team von Paul Motzki leichte und energieeffiziente Kühl-Prototypen für Elektroautos. Für eine dezentrale Klimaanlage für Wohngebäude erhält das Konsortium um Paul Motzki vier Millionen Euro im Rahmen der „EIC Pathfinder Challenge“ des Europäischen Innovationsrats. Ein weiterer „ERC Starting Grant“ des Europäischen Forschungsrates fördert die Kombination der Elastokalorik mit dielektrischen Elastomeren als smarten Folienantrieben.
Auf der Hannover Messe vom 20. bis 24. April ist unter anderem der funktionsfähige Prototyp des ersten Elastokalorik-Minikühlschranks zu sehen, der zu Demonstrationszwecken eine Dose kühlt: Rund 200 Mikrometer dünne Nickel-Titan-Drahtbündel rotieren um eine runde Kühlkammer, werden auf einer Seite gezogen und auf der anderen entlastet, während Luft an den Drähten vorbeiströmt und Wärme aus der Kühlkammer abtransportiert. Die Teams suchen am Gemeinschaftsstand „Germany’s Saarland“ in Halle 11, Stand D41 Partner aus Industrie und Forschung für weitere Anwendungsfelder – von Haushaltsgeräten bis zur Industriekühlung.
