Neues elastokalorisches Kühlsystem verspricht kommerzielle Nutzung

Ein Forscherteam in den USA und China hat ein elastokalorisches Kühlsystem entwickelt, das Wärme absorbiert, wenn Spannung in Bündeln von Metallrohren gelöst wird. Unter der Leitung von Ichiro Takeuchi von der University of Maryland erreichte das Projekt des Teams eine Kühlleistung, die mit anderen kalorischen Materialien vergleichbar ist, und könnte den Weg für eine kommerzielle Nutzung in nicht allzu ferner Zukunft ebnen.

Herkömmliche Kühlsysteme verwenden normalerweise Gase, die bei Freisetzung in die Atmosphäre starke Treibhauseffekte haben. Daher entwickeln Forscher alternative Festkörper-Kühltechnologien auf Basis kalorischer Materialien. Diese Materialien unterliegen Temperaturänderungen, wenn sie äußeren magnetischen oder elektrischen Feldern ausgesetzt werden oder als Reaktion auf mechanische Belastung oder Druck. Kühlsysteme auf Basis kalorischer Materialien könnten nicht nur schädliche Chemikalien vermeiden, sondern auch energieeffizienter sein als bestehende Kühlschränke.

Bisher konzentrierte sich diese Forschung hauptsächlich auf magnetokalorische Materialien – doch in jüngerer Zeit haben sich elastokalorische Materialien als noch vielversprechendere Kandidaten für die kommerzielle kalorische Kühlung herausgestellt. Zu diesen Materialien gehört die hochelastische und leicht herstellbare Legierung Nickel-Titan (NiTi).

Wie Takeuchis Team vor über einem Jahrzehnt erstmals gezeigt hat, können dünne Drähte aus dieser Legierung unter Spannung große Mengen Wärme abgeben und diese absorbieren, wenn die Spannung nachlässt. „Vor etwa 12 Jahren haben wir experimentell herausgefunden, dass NiTi eine große Temperaturspanne aufweisen kann, die man mit der Hand ertasten kann“, erinnert sich Takeuchi. „Damals haben wir dies demonstriert, indem wir leicht erhältlichen NiTi-Drähten Spannung verliehen haben. So begannen wir mit der Herstellung elastokalorischer Geräte.“

Anschließend machten sich die Forscher daran, kommerziell nutzbare Kühlanwendungen zu entwickeln. Allerdings hat sich die großtechnische Umsetzung der elastokalorischen Kühlung als erhebliche technische Herausforderung erwiesen. Das Hauptproblem besteht darin, dass wiederholte Spannungs- und Entspannungszyklen NiTi-Drähte beschädigen und ihre praktische Lebensdauer einschränken.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelte Takeuchis Team ein neuartiges Wärmeaustauschsystem, bei dem Wasser durch Bündel von NiTi-Röhren gepumpt wird. „Es hat lange gedauert, bis wir verschiedene technische Herausforderungen gemeistert haben, aber mit unserer jüngsten Demonstration konnten wir zeigen, was wir uns vor zehn Jahren vorgestellt hatten. Wir verwenden Wasser als Wärmeaustauschflüssigkeit – wodurch das Wasser kälter wird, sodass es wiederum zur Kühlung oder Klimatisierung verwendet werden kann“, erklärt Takeuchi.

Das Team nutzte zwei Größen, um den Erfolg des Ansatzes zu messen. Die erste ist die „gelieferte Kühlleistung“, die die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr beschreibt. Die zweite ist die „Temperaturspanne“, die den Temperaturunterschied zwischen dem Wasser an beiden Enden des Systems beschreibt. „Für diese beiden wichtigen Werte konnten wir jeweils 260 W und 22,5 K erreichen“, sagt Takeuchi. Die Forscher maximierten nacheinander jeden dieser Werte, indem sie einfach die Betriebssequenzen der Ventile in ihrem Wärmeaustauschsystem anpassten.

Diese neuesten Ergebnisse sind ein Beispiel dafür, wie elastokalorische Materialien mit der Kühlleistung ihrer magnetokalorischen Gegenstücke gleichziehen und könnten bald mögliche Kandidaten für kommerzielle Kühlsysteme sein.

Die Festkörperkühlung wird durch durch ein elektrisches Feld induzierte Spannung erreicht

Takeuchi räumt jedoch ein, dass der praktische Einsatz elastokalorischer Materialien möglicherweise noch in weiter Ferne liegt, da wahrscheinlich zunächst die Entwicklung fortschrittlicherer Materialien erforderlich sein wird. „Die für NiTi erforderliche hohe Spannung ist immer noch ein Problem, aber es sind Materialien am Horizont, andere superelastische Materialien, von denen bekannt ist, dass sie elastokalorische Effekte bei viel geringerer Spannung zeigen“, sagt er.

„Diese Materialien sind weniger entwickelt und noch nicht kommerziell erhältlich, aber wir glauben, dass die Weiterentwicklung dieser Materialien und ihre Implementierung in Kühlsystemen mit geringer Belastung eine wirklich spannende Perspektive ist.“ Takeuchis Team hat bereits Pläne für einen kompakten, elastokalorischen Weinkühler entworfen und hofft, einen erfolgreichen Prototyp vorführen zu können, sobald diese Materialien verfügbar sind.

Die Forschung wird in Science beschrieben.