(WK-intern) – Kühlschränke, Klimaanlagen und Rechenzentren verbrauchen enorme Mengen Strom, und der Bedarf an Kühlung wächst stetig weiter. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der japanischen Universität Tsukuba zeigt nun einen neuen Ansatz: In ihrem Prototyp übernimmt Wärme die Rolle, die bislang ein Elektromotor spielte. Zwei hauchdünne Formgedächtnis-Folien wandeln dabei gemeinsam thermische Energie zunächst in mechanische Arbeit und schließlich in messbare Kälte um. Die Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten, Abwärme und Sonnenenergie künftig für Festkörperkühlung zu nutzen.

Ob im Kühlschrank, in der Klimaanlage oder im Rechenzentrum: Kühlung beruht seit mehr als hundert Jahren auf demselben Grundprinzip. Ein Kompressor, angetrieben von Strom, pumpt mithilfe eines Kältemittels Wärme von einem Ort zum anderen. Da der Kühlbedarf weiter wächst, entfällt inzwischen fast die Hälfte des weltweiten Energieverbrauchs auf Kühlen und Heizen. Viele gängige Kältemittel tragen zudem zur Erderwärmung bei. Als vielversprechende Festkörper-Alternative gilt die elastokalorische Kühlung: Formgedächtnislegierungen kühlen sich ab, sobald eine zuvor aufgebrachte mechanische Spannung wieder gelöst wird. Bislang benötigten aber auch elastokalorische Systeme einen elektrisch angetriebenen Aktor, um die nötige Kraft zu erzeugen – wodurch sie reichlich vorhandene Wärmequellen wie Abwärme oder Sonnenenergie bisher nicht direkt nutzen konnten.

Wärme statt Strom als Antrieb

Genau hier setzt das neue Konzept des Forschungsteams an: Es koppelt zwei hauchdünne Nickel-Titan-Folien mit komplementären Funktionen. Die erste Folie nutzt einen Formgedächtniseffekt: Wird sie erwärmt, zieht sie sich zusammen und wandelt thermische Energie direkt in mechanische Arbeit um – ganz ohne Elektromotor. Diese Bewegung überträgt sich unmittelbar auf die zweite Folie, in der wiederholtes Be- und Entlasten reversible Veränderungen der Kristallstruktur auslöst, die Kälte erzeugen. Auf diese Weise ersetzt Wärme den elektrisch angetriebenen Aktor, der elastokalorische Kühlsysteme bislang antrieb.

„Die entscheidende Neuerung ist, dass wir zwei komplementäre Funktionen von Formgedächtnislegierungen kombinieren, sodass eine Folie Wärme in mechanische Arbeit umwandelt, während die andere diese Arbeit in Kälte umwandelt“, sagt Dr. Jingyuan Xu, Young Investigator Group Leader des ZEco Thermal Lab am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT. „Damit etablieren wir einen neuen Weg, Festkörperkühlung anzutreiben, und eröffnen spannende Möglichkeiten, Abwärme und Sonnenenergie zu nutzen.“

Erste Kühlleistung im Labor bestätigt

Im Prototyp erreichte das System bei einer Aktor-Temperatur von 86 Grad Celsius einen Temperaturunterschied von vier Grad Celsius auf Bauteilebene, während das elastokalorische Kältemittel eine Temperaturänderung von knapp 13 Grad Celsius zeigte. Damit ließ sich die Machbarkeit des Konzepts erstmals experimentell nachweisen. Auch mit einer externen Wärmequelle von 130 Grad Celsius funktionierte der Aufbau zuverlässig – ein Beleg dafür, dass das System mit praxisnahen Wärmequellen arbeiten kann. „Für uns war der entscheidende Moment, zum ersten Mal messbare Kälte zu sehen, die tatsächlich von einem wärmegetriebenen System erzeugt wurde“, sagt Yi-Ting Hsiau, Erstautorin der Studie und Doktorandin am IMT. „Das hat uns gezeigt: Das Prinzip funktioniert nicht nur auf dem Papier.“

Der aktuelle Aufbau ist als Machbarkeitsstudie gedacht und noch nicht auf maximale Kühlleistung optimiert. Das Team arbeitet bereits daran, mehrere Folien parallel zu schalten und so die Kühlleistung zu steigern. Denkbare Anwendungen reichen von der Kühlung von Prozessoren in Computern, die dafür ihre eigene Abwärme nutzen könnten, bis hin zur Kühlung empfindlicher Elektronik in Fahrzeugen mit Wärme aus dem Antriebsstrang.

Die Arbeit entstand in Kooperation mit der Universität Tsukuba in Japan und ebnet den Weg für eine praxistaugliche, wärmegetriebene Festkörperkühlung. „Wir glauben, dass dies erst der Anfang ist“, sagt Xu. „Indem wir diese Technologie skalieren, wollen wir kompakte Kühlsysteme entwickeln, die reichlich vorhandene Wärmequellen für eine nachhaltige Kühlung nutzen.“

Die Carl-Zeiss-Stiftung (CZS-Nexus-Projekt), die Baden-Württemberg-Stiftung (Eliteprogramm für Postdoktorandinnen und Postdoktoranden) sowie die Hector Fellow Academy haben die Arbeit gefördert. (asc)

Foto: kit.edu