Zusammenfassung:
In der globalen Energieverbrauchsstruktur macht der Heiz- und Kühlbedarf fast die Hälfte des Energieverbrauchs aus, und dieser Bedarf steigt weiter. Seit mehr als einem Jahrhundert basieren herkömmliche Kühlschränke, Klimaanlagen und Kühlsysteme für Rechenzentren fast ausschließlich auf elektrisch angetriebenen Kompressoren und fließenden Kältemitteln zur Wärmeübertragung. Viele herkömmliche Kältemittel sind ebenfalls Treibhausgase, die zur globalen Erwärmung beitragen.
Heute ist einem Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Deutschland und der Universität Tsukuba in Japan ein großer Durchbruch gelungen und es ist gelungen, den weltweit ersten Prototyp eines Festkörperkühlsystems zu entwickeln, das vollständig mit Wärmeenergie betrieben wird. Damit wurde ein neuer technischer Weg realisiert, der auf Elektromotoren verzichtet und Abwärme oder Sonnenenergie direkt in Kälteenergie umwandelt.
Dieses System überwindet den entscheidenden Engpass der „Elastokalorischen Kühlung“, einer hochmodernen Festkörper-Kühltechnologie. Als vielversprechende Alternative zur herkömmlichen Kompressionskühlung kühlen Formgedächtnislegierungen ab, wenn die ausgeübte mechanische Belastung nachlässt. Zuvor waren bestehende Elastomer-Kühlsysteme jedoch noch auf elektrisch angetriebene Aktuatoren angewiesen, um mechanische externe Kraft bereitzustellen, was die Technologie daran hinderte, leicht verfügbare Abwärme oder Sonnenenergie aus der Umgebung direkt zu nutzen.
Das neue Design des gemeinsamen Teams revolutioniert diesen Kraftmechanismus und ersetzt herkömmliche elektrische Aktuatoren durch „thermische Energie“. Der Kern des Systems liegt in der ausgeklügelten Kombination zweier ultradünner Filme aus einer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung mit unterschiedlicher Arbeitsteilung: Der erste Film fungiert als thermischer Aktuator, schrumpft unter Ausnutzung des Formgedächtniseffekts bei Erwärmung und wandelt Wärmeenergie direkt in mechanische Arbeit um, ohne dass ein Motor erforderlich ist; Diese Verschiebungsbewegung wirkt dann auf die zweite Folie, die eine Kühlfunktion übernimmt. Durch periodisches Be- und Entladen löst es reversible Veränderungen in der Kristallstruktur des Materials aus und erzeugt so kontinuierlich Kälteenergie.
Das Forschungsprojekt wird von Dr. Jingyuan Xu geleitet, dem Leiter des jungen Forschungsteams des ZEco Thermal Energy Laboratory des Instituts für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT. Er wies darauf hin, dass die wichtigste Innovation dieses Durchbruchs darin besteht, zwei komplementäre Funktionen der Formgedächtnislegierung zu kombinieren – eine Folie ist für die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit verantwortlich, und die andere Folie wandelt mechanische Arbeit in Kälteenergie um. Dieses Design etabliert ein neues Paradigma für Festkörper-Kühlantriebe und eröffnet vielversprechende Möglichkeiten für die effiziente Nutzung von Abwärme und Solarenergie.
Experimentelle Daten zeigen, dass das Prototypgerät in Labortests erfolgreich messbare Kühleffekte demonstrierte. Bei einer Temperatur des Aktors von 86 Grad Celsius wird auf der gesamten Komponentenebene eine Temperaturdifferenz von 4 Grad Celsius erreicht, während die Temperaturänderung des elastischen Kältemittels selbst bei etwa 13 Grad Celsius liegt. Darüber hinaus führten die Forscher zu Testzwecken eine externe Wärmequelle mit 130 Grad Celsius ein, und das System behielt auch einen stabilen und zuverlässigen Betrieb bei, was die Machbarkeit der Technologie zur Anpassung an die Wärmequelle in einer realen Industrieumgebung vollständig bewies. Yi-Ting Hsiau, der Erstautor der Arbeit und Doktorand am KIT, sagte, dass die Möglichkeit, die vom thermischen Antriebssystem tatsächlich erzeugte Kälteenergie mit eigenen Augen messen zu können, ein ganz entscheidender Moment sei, der bestätige, dass das theoretische Prinzip keineswegs nur ein Stück Papier sei.
Der derzeit hergestellte Prototyp des Geräts wird hauptsächlich zur Konzeptüberprüfung und Machbarkeitsdemonstration verwendet und wurde noch nicht für maximale Kühlkapazität optimiert. Das Forschungsteam versucht derzeit, die Gesamtkühlkapazität des Systems exponentiell zu steigern, indem es mehrere Folienschichten parallel ausdehnt. Da die Technologie allmählich ausgereift und miniaturisiert wird, sind ihre zukünftigen Anwendungsszenarien sehr breit: Computerprozessoren oder Servereinheiten können „die von ihnen abgegebene Abwärme nutzen, um sich selbst zu kühlen“. Die vom Antriebsstrang des Fahrzeugs erzeugte Abwärme kann auch direkt in eine Kühlstromquelle für empfindliche elektronische Komponenten des Fahrzeugs umgewandelt werden. Das wissenschaftliche Forschungsteam erklärte, dass dieser Erfolg nur der Anfang sei. Zukünftig wird erwartet, dass durch die Erweiterung des Systems und die Implementierung einer kompakten Bauweise die enorme Menge an Umweltabwärme, die überall zu sehen ist, in umweltfreundliche und nachhaltige Kühlressourcen umgewandelt wird.
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