Vom einfachen Kühlschrank und der Klimaanlage bis hin zu den komplexen Kälteanlagen in industriellen Prozessen – Kühlung ist ein wichtiger Bestandteil des modernen Lebens. Klimawandel und Bevölkerungswachstum treiben den Bedarf an energieeffizienten Kühlsystemen voran. Niedrige Temperaturen bedeuten jedoch oft hohen Stromverbrauch, was wiederum häufig zu einer großen CO₂-Bilanz und dem Risiko von Emissionen klimaschädlicher Kältemittel führt. Ein Forschungsteam aus akademischen und industriellen Partnern unter der Leitung von Professor Stefan Seelecke von der Universität des Saarlandes und dem Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) entwickelt derzeit ein umweltfreundliches Kühlsystem. „
Unser Verfahren ist energieeffizient und kommt ohne klimaschädliche Kältemittel aus. Tatsächlich ist unsere Technologie bis zu 15-mal effizienter als Systeme mit herkömmlichen Kältemitteln“, erklärt Stefan Seelecke. Sowohl die Europäische Kommission als auch das US-Energieministerium haben das neue Verfahren bewertet und halten es für die vielversprechendste Alternative zur derzeit verwendeten Dampfkompressionskältetechnik.

Seeleckes Team hat den weltweit ersten kontinuierlich arbeitenden Prototyp entwickelt, der Luft mit diesem neuen Verfahren kühlt. Die Kühltechnologie, die das Team auf der diesjährigen Hannover Messe vorstellt, nutzt künstliche Muskelfasern. Diese bestehen aus Bündeln ultradünner, formgedächtnisfähiger Fäden aus der Nickel-Titan-Legierung Nitinol. Die Fäden besitzen die besondere Eigenschaft, nach Dehnung oder Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Dadurch können sie sich wie menschliche Muskeln anspannen und entspannen.

Die Ursache für dieses Verhalten liegt in der Struktur der Metalllegierung. Die Atome der Legierung sind in einem Kristallgitter angeordnet. Wird der Nickel-Titan-Draht verformt oder unter Spannung gesetzt, verschieben sich die Atomschichten im Kristallgitter relativ zueinander und erzeugen so Spannungen im Material. Diese Spannungen bauen sich ab, sobald der Draht in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Diese Veränderungen der Kristallstruktur des Materials werden als Phasenübergänge bezeichnet und führen dazu, dass die Drähte Wärme aufnehmen oder abgeben. Diesen Effekt nutzen Seelecke und sein Team in ihrem neuartigen Kühlsystem. Das Formgedächtnismaterial gibt Wärme ab, wenn es im superelastischen Zustand mechanisch belastet wird, und nimmt Wärme aus der Umgebung auf, wenn es entlastet wird. Dieser Effekt ist bei Nitinol besonders ausgeprägt. „Wenn die vorgespannten Nitinolgarne bei Raumtemperatur entlastet werden, kühlen sie sich um bis zu 20 Grad ab“, erklärt Stefan Seelecke, Lehrstuhlinhaber für Intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes. „

Wir nutzen diese Eigenschaft zur Wärmeableitung“, erklärt Susanne-Marie Kirsch, die im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Entwicklung des Kühlsystems mitgewirkt hat. „Die Grundidee besteht darin, dass sich die superelastischen Formgedächtnisgarne entspannen und so den Raum durch Wärmeabfuhr kühlen“, erläutert Kirsch. Die von den Formgedächtnisgarnen absorbierte Wärme wird nach außen abgegeben, sobald die Garne in der Umgebung wieder gespannt werden.

Das Kühlsystem in Saarbrücken ist jedoch deutlich komplexer. Das Team hat einen Kühlkreislauf entwickelt, in dem ein zum Patent angemeldeter Nockenantrieb abwechselnd 200 Mikrometer dicke Nitinol-Garnbündel dehnt und entspannt, um die Wärmeübertragung so effizient wie möglich zu gestalten. Luft wird durch die Garnbündel in zwei getrennten Kammern geblasen: einer, in der die Luft erwärmt, und einer, in der sie gekühlt wird. Dadurch kann die Maschine sowohl kühlen als auch heizen. „Wenn die Drähte mechanisch belastet werden, erwärmen sie sich um etwa 20 Grad, sodass das Verfahren auch als Wärmepumpe genutzt werden kann“, erklärt Felix Welsch, der im Rahmen seiner Promotion ebenfalls an dem Prototypsystem mitgearbeitet hat. Je nach verwendeter Legierung ist die Heiz- oder Kühlleistung dieser neuen Technologie bis zu dreißigmal höher als die mechanische Leistung, die zum Be- und Entladen der Legierungsdrahtbündel benötigt wird. Damit ist das neue System deutlich leistungsfähiger als herkömmliche Wärmepumpen und Kühlschränke.

Das Kühlsystem ist das Ergebnis jahrelanger Forschung in verschiedenen Projekten, zahlreicher preisgekrönter Doktorarbeiten und enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Professor Andreas Schütze an der Universität des Saarlandes. Die Förderung erfolgte teilweise durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen ihres Schwerpunktprogramms „Ferrische Kühlung“. Durch die Kombination von experimentellen Studien und numerischen Modellen konnten die Forschenden die zugrundeliegenden Mechanismen optimieren und bestimmen, wie viele Nitinoldrähte in einem Bündel verwendet werden sollten bzw. welche Drahtbeladung erforderlich ist, um einen bestimmten Kühlgrad zu erreichen. Auf Basis dieser Ergebnisse kann das Forschungsteam das System nun individuell anpassen. Sie haben eine Software entwickelt, mit der sie Kühlsysteme für spezifische Anwendungen simulieren, planen und optimieren können.

Das Team aus Saarbrücken arbeitet aktuell an mehreren Projekten zur weiteren Optimierung des Wärmetransferprozesses und damit zur Steigerung der Effizienz der neuen Technologie. Ziel ist es, nahezu die gesamte Energie des Phasenübergangs zum Heizen oder Kühlen zu nutzen.

Die Forschenden des Teams aus Seelecke entwickeln derzeit ihre elastokalorische Technologie für den Einsatz als Kühlsystem in Elektrofahrzeugen. Seit Januar 2022 arbeitet das Team mit akademischen und industriellen Partnern im Rahmen des staatlich geförderten NEKKA-Kooperationsprojekts zusammen, das die Entwicklung eines neuartigen elastomeren Kühlsystems zum Ziel hat. Das Projekt erhält insgesamt 6 Millionen Euro Fördermittel, wovon rund 1 Million Euro dem Team aus Saarbrücken für sein Projekt zur Kühlung von Elektrofahrzeugen zugewiesen werden. Unser Ziel ist die Entwicklung, mathematische Modellierung und Validierung eines alternativen Klimatisierungssystems, das in allen Fahrzeugklassen eingesetzt werden kann. Das System soll das Fahrzeug heizen und kühlen können und gleichzeitig effizienter, umweltfreundlicher und nachhaltiger als andere derzeit verfügbare Systeme sein. „Unsere Technologie wird zudem kompakter, leichter und kostengünstiger sein“, erklärt Paul Motzki, Forschungsingenieur und Geschäftsführer des Seelecke-Teams.
Um dieses und weitere intelligente Materialsysteme für kommerzielle und industrielle Anwendungen zu entwickeln, haben Forscher des Labors für Intelligente Materialsysteme das Spin-off-Unternehmen „mateligent GmbH“ gegründet.