Festkörperkühlung Wenn aus Wärme Kälte wird

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Forschende des KIT und der Universität Tsukuba haben ein Kühlsystem entwickelt, das Wärme als Antriebsquelle für die Kälteerzeugung nutzt. Der elastokalorische Prototyp könnte Abwärme und Sonnenenergie für eine energieeffizientere Kühlung nutzbar machen.

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Tsukuba in Japan haben ein wärmegetriebenes elastokalorisches Kühlsystem entwickelt. Der Prototyp nutzt zwei hauchdünne Folien aus einer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung, um thermische Energie zunächst in mechanische Arbeit und anschließend in Kälte umzuwandeln. Damit lässt sich Abwärme oder Sonnenenergie direkt für die Festkörperkühlung nutzen. 

Wärme statt Strom als Antrieb

Kühlschränke, Klimaanlagen und Rechenzentren benötigen große Mengen Energie. Herkömmliche Kühlsysteme arbeiten meist mit einem elektrisch angetriebenen Kompressor, der mithilfe eines Kältemittels Wärme von einem Ort zu einem anderen transportiert. Viele verwendete Kältemittel können zudem zur Erderwärmung beitragen.

Eine mögliche Alternative ist die elastokalorische Kühlung. Dabei verändern Formgedächtnislegierungen ihre Temperatur, wenn sie mechanisch belastet und anschließend wieder entlastet werden. Bisher benötigten auch solche Systeme jedoch einen elektrisch betriebenen Aktor, der die notwendige Kraft erzeugt. Wärmequellen wie industrielle Abwärme oder Sonnenenergie konnten deshalb nicht direkt als Antrieb genutzt werden.

Das neue Konzept verbindet zwei Folien mit unterschiedlichen Funktionen. Wird die erste Nickel-Titan-Folie erwärmt, zieht sie sich aufgrund des Formgedächtniseffekts zusammen. Dabei wandelt sie thermische Energie direkt in mechanische Arbeit um. Diese Bewegung überträgt sich auf die zweite Folie.

Zwei Folien, zwei Funktionen

Die zweite Folie dient als elastokalorisches Kältemittel. Durch die wiederholte mechanische Belastung und Entlastung verändert sich ihre Kristallstruktur reversibel. Dabei entsteht eine messbare Temperaturänderung, die zur Kühlung genutzt werden kann.

„Die entscheidende Neuerung ist, dass wir zwei komplementäre Funktionen von Formgedächtnislegierungen kombinieren, sodass eine Folie Wärme in mechanische Arbeit umwandelt, während die andere diese Arbeit in Kälte umwandelt“, sagt Dr. Jingyuan Xu, Leiterin der Young Investigator Group des ZEco Thermal Lab am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT.

Auf diese Weise ersetzt die Wärme den elektrisch angetriebenen Aktor, der elastokalorische Kühlsysteme bislang in Bewegung setzte. Das Grundprinzip könnte damit auch dort eingesetzt werden, wo Abwärme oder solar erzeugte Wärme verfügbar ist.

Erste Kühlleistung im Labor

Im Prototyp erreichte das System bei einer Aktortemperatur von 86 Grad Celsius einen Temperaturunterschied von vier Grad Celsius auf Bauteilebene. Das elastokalorische Kältemittel selbst zeigte eine Temperaturänderung von knapp 13 Grad Celsius. Damit wiesen die Forschenden die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des Konzepts experimentell nach.

Auch bei einer externen Wärmequelle mit einer Temperatur von 130 Grad Celsius arbeitete der Aufbau zuverlässig. „Für uns war der entscheidende Moment, zum ersten Mal messbare Kälte zu sehen, die tatsächlich von einem wärmegetriebenen System erzeugt wurde“, sagt Yi-Ting Hsiau, Erstautor der Studie und Doktorand am IMT.

Der aktuelle Aufbau dient zunächst als Machbarkeitsnachweis und ist noch nicht auf eine maximale Kühlleistung ausgelegt. Das Forschungsteam untersucht deshalb, wie sich mehrere Folien parallel schalten lassen. Dadurch soll die erzeugte Kälteleistung steigen.

Perspektiven für Abwärme und Sonnenenergie

Mögliche Anwendungen liegen unter anderem in der Kühlung von Prozessoren und anderer Elektronik. Computer könnten ihre eigene Abwärme künftig zumindest teilweise für den Kühlprozess nutzen. Auch Fahrzeuge könnten von dem Ansatz profitieren, wenn Wärme aus dem Antriebsstrang zur Kühlung empfindlicher Bauteile eingesetzt wird.

Die weitere Entwicklung erfolgt gemeinsam mit der Universität Tsukuba. Ziel ist es, das System zu skalieren und kompakte Kühllösungen für unterschiedliche Wärmequellen zu entwickeln. Gefördert wurde die Arbeit unter anderem durch die Carl-Zeiss-Stiftung, die Baden-Württemberg-Stiftung und die Hector Fellow Academy.

Die Originalpublikation „Heat-driven elastocaloric cooling with shape memory films“ ist in Nature Energy erschienen. DOI: 10.1038/s41560-026-02122-6