Formgedächtnismaterial Energiesparende Kühlmittel aus dem 3D-Drucker

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Das Team von Paul Motzki von der Universität des Saarlandes entwickelt die klimaschonende Kühl- und Heiztechnologie Elastokalorik für den Praxiseinsatz weiter. Mit den 3D-Druck-Experten um Dirk Bähre forschen sie an neuen Kühlmittelformen.

Die glänzenden Würfel mit unterschiedlicher Geometrie sehen aus wie stylische Deko-Objekte. Was die Fertigungstechniker aus dem Team von Professor Dirk Bähre zusammen mit den Experten für smarte Materialsysteme um Professor Paul Motzki entwickeln, ist alles andere als nur optisch reizvoll. „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 neuen Geometrien für Kühl- und Heizmittel sollen mit möglichst großer Oberfläche im Inneren wie Äußeren so viel Kühl- und Heizeffekt bringen wie möglich. 

Wie neue Materialien kühlen

Kühlen und Heizen verbrauchen heute weltweit enorme Energiemengen – mit dem Klimawandel ist die Tendenz steigend. Die Klimatechnologie Elastokalorik stellt im Vergleich zu herkömmlichen Kühl- und Heizmethoden einen besseren Wirkungsgrad in Aussicht. Die Klimatechnologie beruht auf den besonderen Eigenschaften von Nickel‑Titan: Diese Legierung verhält sich beim Verformen anders als übliche Metalle. Das Material hat ein Formgedächtnis: Nickel-Titan besitzt zwei Phasen, die ineinander übergehen können, sich im übertragenen Sinne also aneinander „erinnern“. Beim Wechsel der Phasen kommt es zum Wärmetransport. „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“, schildert Paul Motzki den Kühlvorgang. Also: Wird ein Nickel-Titan-Draht gezogen, gibt er Wärme an vorbeiströmende Luft oder Flüssigkeit ab; wird er entlastet, nimmt er Wärme auf. Dieses Ziehen und anschließende Entlasten, die mechanische Verformung also, ist das Schlüsselprinzip der neuen Technologie. Zusätzliche Sensoren benötigt sie nicht. Das Material selbst hat 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“, erläutert Motzki.

Die Saarbrücker Forscher versuchen durch größtmögliche Oberfläche so viel Kühl- und Wärmeleistung zu erzielen wie möglich. Denn: Je größer die Oberfläche, umso effizienter läuft der Wärmeübergang an das jeweilige Medium Luft oder Wasser. Erhöhen Motzki und sein Team bislang die Oberfläche durch das Bündeln vieler Formgedächtnisdrähte, sollen nun neuartige Kühl- und Heizmittel durch eine im Inneren poröse geometrische Struktur so viel Kontaktfläche wie möglich für den Kühl- und Heizeffekt aufbieten. Hierzu entwickelt die Arbeitsgruppe von Paul Motzki mit dem Team von Dirk Bähre komplizierte Formen aus Nickel-Titan, durch die Luft oder Wasser durchströmen können, um Wärme aufzunehmen und abzugeben. Die Forscher feilen am optimalen Design der filigranen Strukturen. Die Legierung wird für die Experimente im 3D-Drucker Schicht für Schicht gedruckt. Durch Tests soll sich zeigen, welche der komplizierten Formen sich für das Kühlen und Heizen am besten eignen.

Wir arbeiten an robusten Materialien und einem Design, das sich im Dauerbetrieb samt Wartung bewährt.

Paul Motzki

Zugleich arbeiten Motzki und sein Team daran, die Elastokalorik für den Praxiseinsatz weiterzuentwickeln. Als zug- oder druckbasiertes Kühlsystem sollen die Materialien künftig in Kühlschränken und Kühlaggregaten im Dauereinsatz sein. „Wir arbeiten an robusten Materialien und einem Design, das sich im Dauerbetrieb samt Wartung bewährt. Solche Fragen denken wir bei der Entwicklung mit – das ist unser Grundansatz in der Forschung und auch im Studium an der Universität des Saarlandes in Studiengängen wie Systems Engineering oder Sustainable Materials and Engineering“, sagt Paul Motzki, der, wie auch Dirk Bähre, zahlreiche Doktorandinnen und Doktoranden, aber auch Studierende in diese Forschung einbezieht. Die Ingenieurteams gehen zum einen in Experimenten der Frage nach, wie sie die Materialien so belasten, dass sie lange halten. Hierzu stimmen sie die Materialeigenschaften und die Zug- und Druckrhythmen aufeinander ab. „Wir wollen zum Beispiel bei den Drahtbündeln eine Lebensdauer von über einer Million Zyklen erreichen“, erläutert Paul Motzki. Irgendwann aber ermüdet auch das beste Material. „Wir arbeiten deshalb zum anderen an einem einfachen und schnellen Materialwechsel. Dafür konstruieren wir die technischen Bauteile so, dass sie leicht ausgetauscht werden können. Von solcher Wartungsoptimierung hängt auch ab, dass sich die neue Kühltechnologie in der Praxis durchsetzen kann“, betont Motzki.