Klimatechnik der Zukunft

Mit künstlichen Muskeln nachhaltig kühlen

30. Mai 2022, 15:02 Uhr | Kathrin Veigel
Uni Saarland Künstliche Muskeln
Die Doktoranden Felix Welsch und Susanne-Marie Kirsch haben die erste kontinuierlich laufende Maschine, die Luft mit Muskeln aus Nickel-Titan kühlen und auch erwärmen kann, am Lehrstuhl von Professor Stefan Seelecke mitentwickelt. Das rote und blaue Licht symbolisiert die Wärme und Kälte, die sie hiermit erzeugen können.
© Oliver Dietze/Uni Saarland

Eine Klimatechnik, die energieeffizient, nachhaltig und ohne klimaschädliche Kältemittel kühlt, daran arbeiten Saarländer Forscher. Das Verfahren beruht auf Formgedächtnis-Materialien, auch künstliche Muskeln genannt: Sie transportieren Wärme durch Be- und Entlasten von Drähten aus Nickel-Titan.

Von Kühlschrank und Klimaanlage über Kühlsystem in Computer oder Auto bis hin zu komplexer Prozesskühlung in der Industrie: Unsere Gesellschaft kommt ohne Kühlung nicht mehr aus. Aber tiefere Temperaturen bedeuten hohen Stromverbrauch und hohe Belastung mit Treibhausgasen durch klimaschädliche Kältemittel. Eine umweltfreundlichere Kühlmethode hat nun ein Forscherteam von Professor Stefan Seelecke an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft entwickelt.

»Unser Verfahren kommt ganz ohne klimaschädliche Kältemittel aus und hat eine signifikant hohe Energieeffizienz: Es ist weit effizienter als heute übliche Klimatechniken und bis zu fünfzehnmal effizienter als herkömmliche Kältemittel«, erklärt Stefan Seelecke. Die EU-Kommission und das Energieministerium der Vereinigten Staaten deklarierten ihr Kühlverfahren der »Elastokalorik« als zukunftsträchtigste Alternative zu gegenwärtigen Kompressions-Kältemaschinen.

Seeleckes Team hat den weltweit ersten kontinuierlich laufenden Kühldemonstrator entwickelt, der Luft mit dem neuen Verfahren kühlt. Die Kältemaschine kühlt mit »künstlichen Muskeln«, sogenannten Formgedächtnis-Drähten der Legierung Nickel-Titan, Nitinol genannt. Diese Drähte haben die besondere Eigenschaft, ihre alte Form wieder anzunehmen, wenn sie verformt oder gezogen werden: Sie spannen also ähnlich wie Muskeln an und entspannen wieder.

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Arbeitsweise der »künstlichen Muskeln«

Der Grund hierfür liegt tief im Inneren des Metalls verborgen: Seine Atome sitzen in einem Kristallgitter. Wird der Draht verformt oder gezogen, verschieben sich die Atom-Lagen und es kommt im Gitter Spannung auf. Diese Spannungen lösen sich, wenn der Draht anschließend wieder seine alte Form annimmt. Bei diesen Vorgängen, die Forscher sprechen von Phasenumwandlungen, nehmen die Drähte Wärme auf und geben sie wieder ab.

Diesen Effekt nutzen Seelecke und sein Team bei ihrer Kühlmaschine: »Das Formgedächtnismaterial gibt Wärme ab, wenn es im sogenannten superelastischen Zustand gezogen wird, und nimmt Wärme auf, wenn es entlastet wird. Bei Nitinol ist dieser Effekt besonders stark: Wenn zuvor gespannte Drähte bei Raumtemperatur entlastet werden, kühlen sie sich um bis zu etwa 20 °C unter dem Umgebungsniveau ab«, erläutert der Professor für Intelligente Materialsysteme.

Die Forscher nutzen diese Eigenschaften, um Wärme abzutransportieren. Die Grundidee ist, vorgedehnte, superelastische Formgedächtnis-Drähte in einen Raum zu bringen, wo sie sich entlasten, dabei stark abkühlen und hierbei dem Raum Wärme entziehen. Außerhalb des Raumes belasten die Wissenschaftler die Drähte erneut, wobei die Wärme dort an die Umgebung abgegeben wird.

In der Saarbrücker Kühlmaschine ist die Sache um einiges komplizierter: In einem Kühlkreislauf sorgt ein speziell konstruierter, zum Patent angemeldeter Nockenantrieb dafür, dass während der Rotation fortwährend Bündel aus 200 Mikrometer dicken Nitinol-Drähten gezogen und entlastet werden. In zwei separaten Kammern wird Luft durch die Bündel geblasen, die in der einen Kammer erwärmt und in der anderen gekühlt wird. Dadurch kann die Maschine kühlen, aber auch heizen.

Beim Belasten findet eine ebenso große Erwärmung von etwa 20 °C statt, so dass der Prozess auch als Wärmepumpe eingesetzt werden kann. Je nach Legierung kann die neue Kühltechnik bis zu dreißigmal mehr Wärme- oder Kühlleistung abgeben als sie mechanische Leistung beim Ziehen und Loslassen benötigt. Damit ist das System erheblich besser als derzeitige Wärmepumpen und herkömmliche Kühlschränke.

Derzeit arbeiten die Saarbrücker Ingenieure in mehreren Projekten daran, die Wärmeübertragung der Maschine weiter zu optimieren, um ihre Effizienz noch weiter zu steigern: Die gesamte Energie aus den Phasenumwandlungen soll ohne Verluste vollständig dem Kühlen oder Heizen zugutekommen. Neuestes Ziel der Wissenschaftler in Seeleckes Team ist es, ihre elastokalorische Technologie für die Kühlung in Elektrofahrzeugen weiterzuentwickeln. 


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