Eine neue Klimatechnik, die energieeffizient, nachhaltig und ohne
klimaschädliche Kältemittel kühlt, entwickelt das Team von Professor
Stefan Seelecke an der Universität des Saarlandes. Das Verfahren beruht
auf Formgedächtnis-Materialien, auch künstliche Muskeln genannt: Sie
transportieren Wärme durch Be- und Entlasten von Drähten aus Nickel-Titan.
Die Technik, die die Forscher derzeit auch zur Kühlung in Elektroautos
weiterentwickeln, demonstriert das Forschungsteam ab 30. Mai auf der
Hannover Messe mit der weltweit ersten Maschine, die Luft mit künstlichen
Muskeln kühlt. Hannover Messe, 30. Mai bis 2. Juni, Halle 2, Stand B28
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. Mit Klimaerwärmung und wachsender
Weltbevölkerung wird der Bedarf an der „Abwesenheit von Wärme“ steigen,
wie die Physik das Phänomen Kälte umschreibt. Aber tiefere Temperaturen
bedeuten hohen Stromverbrauch und hohe Belastung mit Treibhausgasen durch
klimaschädliche Kältemittel. Eine umweltfreundlichere Kühlmethode
entwickelt das 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.
„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, die sie auf der Hannover Messe zeigen, 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.
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 Grad unter dem Umgebungsniveau ab“, erläutert der Professor
für Intelligente Materialsysteme.
„Wir nutzen diese Eigenschaften, um Wärme abzutransportieren“, sagt
Susanne-Marie Kirsch, die die Kühlmaschine in ihrer Doktorarbeit
mitentwickelt hat. „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“, erklärt die
Ingenieurin. 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 freilich 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 Grad statt, so dass der Prozess
auch als Wärmepumpe eingesetzt werden kann“, erklärt Felix Welsch, der
ebenfalls im Rahmen seiner Doktorarbeit am Prototyp gearbeitet hat. 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.
Die Kühlmaschine ist das Ergebnis aus mehreren Jahren Forschung in
verschiedenen Projekten und mehrfach ausgezeichneten Doktorarbeiten. Auch
die Arbeitsgruppe von Professor Andreas Schütze von der Universität des
Saarlandes war hieran beteiligt. Unter anderem förderte die Deutsche
Forschungsgemeinschaft DFG die Forschung im Schwerpunktprogramm „Ferroic
Cooling“. Hierbei machten Forscherinnen und Forscher den Mechanismus immer
effizienter und optimierten die einzelnen Abläufe, etwa indem sie
herausfanden, wie viele Drähte sie bündeln müssen, wie stark diese
idealerweise gezogen werden, um eine bestimmte Kühlleistung zu erreichen
oder welche Drehzahl bei der Rotation am besten ist. Mit diesen
Forschungsergebnissen können die Ingenieure ihr System nun maßschneidern.
Sie haben eine Software entwickelt, mit der sie die Heiz- und Kühltechnik
für verschiedene Anwendungen am Computer anpassen und Kühlsysteme
simulieren und planen können.
Derzeit arbeiten die Saarbrücker Ingenieurinnen und 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Seeleckes
Team ist es, ihre elastokalorische Technologie für die Kühlung in
Elektrofahrzeugen weiterzuentwickeln. Hierzu arbeiten sie seit Januar 2022
mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft zusammen in einem vom
Bundeswirtschaftsministerium geförderten Verbundprojekt namens „NEKKA –
Entwicklung eines neuartigen elastokalorischen Klimasystems“, das einen
Gesamtumfang von sechs Millionen Euro hat. Ihr Teilvorhaben wird mit rund
einer Million Euro gefördert. „Ziel ist es, ein alternatives
Klimatisierungssystem für Fahrzeuge aller Fahrzeugklassen zu entwickeln,
zu simulieren und zu validieren: Es soll kontinuierlich Wärme und Kälte
zur Verfügung stellen und zugleich effizienter, umweltverträglicher und
nachhaltiger als bisherige Verfahren sein. Außerdem soll unsere Technik im
Vergleich kleiner, leichter und kostengünstiger sein“, erläutert Ingenieur
Paul Motzki, Forscher in Seeleckes Team.
Um diese und andere intelligenten Materialsysteme in die Industriepraxis
zu bringen, haben die Wissenschaftler aus dem Lehrstuhl heraus die Firma
mateligent GmbH gegründet.
Video zur elastokalorischen Kühlmaschine:
<https://www.youtube.com/watch?v=IA7c1boWszg>