Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Tsukuba haben Wärme als Antrieb für ein elastokalorisches Kühlsystem genutzt. Der Laboraufbau zeigt, dass sich Abwärme oder Solarwärme grundsätzlich direkt in Kühlleistung umwandeln lassen. Bis zu einem praktischen Einsatz muss das System allerdings noch deutlich skaliert und optimiert werden.
Kühlung benötigt üblicherweise elektrische Energie: In Kühlschränken, Klimaanlagen oder industriellen Kühlsystemen treibt Strom einen Kompressor an, der mithilfe eines Kältemittels Wärme transportiert. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der japanischen Universität Tsukuba hat nun einen anderen Ansatz experimentell erprobt. In dem System übernimmt Wärme die Aufgabe des elektrischen Antriebs.
Grundlage ist die elastokalorische Kühlung. Dabei wird ein festes Material mechanisch belastet und anschließend wieder entlastet. Die damit verbundenen Veränderungen seiner Kristallstruktur führen dazu, dass es sich erwärmt beziehungsweise abkühlt. Als Arbeitsmaterial dienen Formgedächtnislegierungen. Anders als bei der klassischen Kompressionskälte kommt damit kein flüchtiges Kältemittel zum Einsatz.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht. Nach Angaben der Forschenden handelt es sich um die erste experimentelle Umsetzung eines wärmegetriebenen elastokalorischen Kühlsystems auf Basis dünner Formgedächtnisfolien.
Zwei metallische Folien sind zentral
Der Prototyp kombiniert zwei mechanisch miteinander gekoppelte Folien aus Nickel-Titan-Legierungen. Die 22 Mikrometer dünne Aktorfolie wandelt Wärme in Bewegung um. Wird sie über ihre Umwandlungstemperatur hinaus erwärmt, nimmt sie ihre zuvor eingeprägte Form wieder an und zieht sich dabei zusammen.
Diese Bewegung belastet eine zweite, 26,5 Mikrometer dünne Folie aus einer Nickel-Titan-Eisen-Legierung. In ihr löst die mechanische Spannung eine Änderung der Kristallstruktur aus. Beim anschließenden Entlasten kehrt das Material in seinen Ausgangszustand zurück und kühlt dabei ab. Über abwechselnde Kontakte mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke kann das System Wärme von der kalten auf die warme Seite transportieren.
„Die entscheidende Neuerung ist, dass wir zwei komplementäre Funktionen von Formgedächtnislegierungen kombinieren“, erläutert Jingyuan Xu, Leiter der Nachwuchsgruppe ZEco Thermal Lab am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT. Eine Folie wandle Wärme in mechanische Arbeit um, die andere diese Arbeit in Kälte.
Externe Wärmequelle erzeugt Temperaturspanne von 2,2 Kelvin
In einer zunächst über Joule-Heizung betriebenen Versuchsanordnung erreichte die Aktorfolie eine Temperatur von 86 Grad Celsius. Die elastokalorische Folie zeigte dabei eine Temperaturänderung von bis zu 12,9 Kelvin. Auf Ebene des gesamten Bauteils stellte sich nach 20 Zyklen eine Temperaturspanne von 4,0 Kelvin ein. Die spezifische Kühlleistung beziffern die Forschenden auf 4,4 Watt pro Gramm aktiven Kühlmaterials.
Anschließend ersetzte das Team die direkte elektrische Beheizung der Aktorfolie durch eine externe, 130 Grad Celsius warme Festkörper-Wärmequelle. In dieser Konfiguration erreichte der Prototyp eine stationäre Temperaturspanne von 2,2 Kelvin und eine spezifische Kühlleistung von 3,3 Watt pro Gramm. Damit weist die Untersuchung nach, dass eine von außen zugeführte Wärmequelle die für den elastokalorischen Prozess erforderliche mechanische Bewegung erzeugen kann.
Die geringere Leistung gegenüber der direkt beheizten Variante führen die Forschenden vor allem auf den kleineren Hub der Aktorfolie und den bislang noch nicht optimierten Wärmeübergang zurück. Durch eine angepasste Geometrie, veränderte Umwandlungstemperaturen der Legierung und eine verbesserte Wärmeübertragung sollen künftig niedrigere Quelltemperaturen und höhere Wirkungsgrade möglich werden.
Noch kein vollständig stromfreies Kühlsystem
Der Begriff „stromfreie Kühlung“ beschreibt den derzeitigen Entwicklungsstand nur eingeschränkt. Der für die Verformung der Kühlfolie erforderliche Aktor kann zwar durch Wärme statt durch einen Elektromotor angetrieben werden. Im Laboraufbau wurden jedoch weitere Bewegungen, etwa zur Steuerung der thermischen Kontakte, noch elektromechanisch ausgeführt. Auch die externe Festkörper-Wärmequelle wurde im Versuch mit einem Mikroheizer auf Temperatur gehalten.
Die Forschenden sprechen in ihrer Originalpublikation daher präziser von einer „stromminimierten“ Kühltechnik. Die Untersuchung ist als Machbarkeitsnachweis zu verstehen und noch nicht mit einem vollständigen, autark durch Abwärme oder Solarthermie versorgten Kühlsystem gleichzusetzen.
Auch die absolute Kühlleistung ist bislang gering. Bei der extern beheizten Variante lag sie aufgrund der kleinen aktiven Materialmasse bei rund 2,1 Milliwatt. Um technisch nutzbare Leistungen zu erreichen, wollen die Forschenden mehrere Folien parallel anordnen und deren Abmessungen vergrößern.
Als mögliche Einsatzgebiete nennt das Team die gezielte Kühlung elektronischer Bauteile. Prozessoren könnten beispielsweise mithilfe von Abwärme aus benachbarten Komponenten gekühlt werden. In Fahrzeugen ließe sich Wärme aus dem Antriebsstrang zur Temperierung empfindlicher Elektronik verwenden. Auch solarthermisch betriebene Systeme sind grundsätzlich denkbar.
Ob daraus eine konkurrenzfähige Kühltechnik entsteht, hängt jedoch von der Skalierbarkeit, der Lebensdauer der Folien sowie der Effizienz des gesamten Wärme- und Stofftransports ab. Der jetzt vorgestellte Prototyp zeigt zunächst, dass sich Wärme unmittelbar als mechanischer Antrieb für eine elastokalorische Kühlung nutzen lässt. Die Forschungsarbeit und die zugrunde liegenden Messwerte sind in Nature Energy dokumentiert.
Bild oben: Das neue Kühlsystem verbindet zwei Nickel-Titan-Folien: Eine wärmeaktive Folie erzeugt Bewegung, die eine zweite Folie zur Kälteerzeugung nutzt. Abbildung: Concept by Yi-Ting Hsiau and Jingyuan Xu, KIT; visual design by Ella Maru Studio
