Formgedächtnislegierung Wie Drähte und Bleche nachhaltig kühlen und heizen

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Ein Forschungsteam der Universität des Saarlandes hat eine neuartige Klimatechnologie entwickelt, die deutlich energiesparender und nachhaltiger kühlen und heizen kann als heutige Verfahren. Bei der Elastokalorik transportieren dünne Drähte und Bleche aus Nickel-Titan die Wärme, allein, indem sie verformt werden.

Kälte ist laut Physik nichts anderes als abwesende Wärme. Beim Kühlen wird Wärme abtransportiert, beim Heizen wird sie zugeführt. Und dies machen Saarbrücker Forscher auf besonders einfallsreiche Weise: Sie nutzen dafür haarfeine Drahtbündel oder dünne Bleche aus der Legierung Nickel-Titan. Diese werden gezogen und wieder entlastet. Dabei nehmen sie Wärme auf und geben diese andernorts wieder ab. Aus diesem einfachen Prinzip entwickelt das Forschungsteam von Stefan Seelecke und Paul Motzki an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) in mehreren millionenschweren Forschungsprojekten eine neuartige Klimatechnologie.

Zukunftsträchtige Alternative zu bisherigen Heiz- und Kühlmethoden

Der ⁠Endenergieverbrauch⁠ für Wärme und Kälte verursacht in Deutschland laut Umweltbundesamt gut die Hälfte des gesamten Endenergieverbrauchs. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur IEA entfallen derzeit allein auf die Raumkühlung zwölf Prozent des gesamten globalen Energiebedarfs. „Prognosen gehen davon aus, dass sich diese Zahl bis 2050 verdreifachen könnte“, sagt Zema-Geschäftsführer Paul Motzki, Professor für smarte Materialsysteme für innovative Produktion der Universität des Saarlandes.

Die EU-Kommission bezeichnete die Elastokalorik bereits als zukunftsträchtigste Alternative zu bisherigen Heiz- und Kühlmethoden. Das Weltwirtschaftsforum listete das Verfahren 2024 in seinen „TOP Ten Emerging Technologies“. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, die viel Energie verbrauchen und mit Treibhausgasen und Kältemitteln Klima wie Umwelt belasten, ist das neue Verfahren energieeffizienter und so sauber wie der Strom, mit dem es betrieben wird. Schädliche Kältemittel und fossile Brennstoffe braucht es nicht.

Technologie zügig in die Praxis bringen

Den Kinderschuhen könnte die Elastokalorik bald entwachsen. Die Forscher und ihr Team arbeiten daran, die Technologie zügig in die Praxis zu bringen. Um diesen Weg zu beschleunigen, investiert der Bund für eine Laufzeit von maximal neun Jahren mehr als 17 Millionen Euro im Projekt DEPART!Saar, bei dem die Forscher mit Wissenschaftseinrichtungen und Industriepartnern zusammenarbeiten.

Mit der Volkswagen AG, dem Freiburger Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM und der Bochumer Firma Ingpuls entwickelt das Ingenieurteam die Technologie in einem anderen, soeben gestarteten Projekt so weiter, dass sie zukünftig mit wenig Energieverbrauch und Gewicht in den Klimaanlagen von Elektroautos stecken oder deren Batterien kühlen kann. „In dem mit dreieinhalb Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt entstehen derzeit die ersten Prototypen“, erklärt Paul Motzki.

Richtig kompliziert wird es, wenn aus dem simplen Prinzip praxistaugliche Kühl- und Heizverfahren entstehen sollen. Das ist die Spezialität der Saarbrücker Experten für smarte Materialsysteme. Sie konstruieren Prototypen mit cleverer Mechanik so, dass sie in Kreislaufsystemen funktionieren. Sie erforschen, wie Antriebe Bleche oder Drähte permanent in Gang halten, um Luft, Wasser oder etwa Wasserglycol daran vorbeizuleiten. Sie erforschen, wie der beste Kühl- oder Heizeffekt erzielt wird, wie Luft oder Fluid optimal strömen, welche Form der Bleche und welche Bündel an Drähten am besten geeignet sind, wie stark diese für eine bestimmte Kühl- oder Heizleistung belastet und entlastet werden müssen und vieles mehr. Sie haben eine Software entwickelt, mit der sie die Heiz- und Kühltechnik für verschiedene Anwendungen anpassen und Kühlsysteme simulieren und planen können. „Wir wollen das Innovationspotenzial der Elastokalorik in verschiedensten Anwendungsgebieten einbringen, etwa auch in der Industriekühlung oder bei Haushaltsgeräten“, sagt Paul Motzki. Dafür erforscht das Ingenieurteam zusammen mit auf Materialien spezialisierten Partnern wie der Ingpuls GmbH den kompletten Kreislauf von Materialherstellung, Produktion bis Recycling.

Erster Elastokalorik-Kühlschrank auf der Hannover Messe

Auf der diesjährigen Hannover Messe erläutern die Forscher am weltweit erste Mini-Kühlschrank, wie diese Technologie funktioniert. An jedem Messetag um 10.30 Uhr, 13.30 Uhr und 16.30 Uhr finden in Halle 2 am Saarland-Stand B10 Vorführungen statt.

In diesem ersten Elastokalorik-Kühlschrank sorgt ein patentierter Nockenantrieb dafür, dass Bündel aus 200 Mikrometer dünnen Nickel-Titan-Drähten fortwährend um eine runde Kühlkammer rotieren. Während sie im Kreis wandern, werden sie auf einer Seite belastet, also gezogen, und auf der anderen entlastet. Luft strömt an den rotierenden Bündeln vorbei in die Kühlkammer. Dort werden die Drähte entlastet und entziehen der Luft Wärme. Beim Weiterdrehen transportieren die Drähte diese Wärme aus der Kühlkammer heraus. Draußen werden sie gezogen und geben die Wärme ab. „In der Kühlkammer zirkuliert die Luft nur um entlastete Drähte. Damit erreicht dieser Prototyp etwa 15 Grad Celsius“, sagt Paul Motzki.

Die Technik kommt ohne Sensoren aus. „Sie ist ihr eigener Sensor. Jeder Messwert des elektrischen Widerstandes entspricht einer bestimmten Deformation der Drahtbündel oder Bleche. Mit Künstlicher Intelligenz erkennt das System zu jeder Zeit effizient ihre genaue Position, auch bei Störeinflüssen“, erläutert der Forscher.

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