Kühlschrank der Zukunft

Gekühlt wird auf der ganzen Welt: Kühlschränke laufen rund um die Uhr, Klima­anlagen kühlen Büros, Kühl­systeme halten Computer und Motoren in Gang. Und der Bedarf an Kühlung steigt mit dem Klima­wandel und der wachsender Welt­be­völkerung. Das wird nicht nur teuer, sondern belastet die Atmo­sphäre mit Treib­haus­gasen und durch den hohen Strom­ver­brauch mit Unmengen an Kohlen­dioxid – was wieder die Erder­wärmung befeuert. Eine umwelt­freund­lichere Kühl­methode entwickeln Stefan Seelecke und Andreas Schütze von der Uni des Saar­lands gemeinsam mit Gunther Eggeler und Jan Frenzel von der Uni Bochum. Ihr Verfahren kommt ohne klima­schädigende Kühl- oder Kälte­mittel aus und soll auch weniger Energie verbrauchen als bislang übliche Kühl-Techniken.

„Wir setzen Systeme mit Formgedächtnis-Legierungen ein, um Wärme abzu­trans­portieren“, erklärt Seelecke. „Form­ge­dächtnis bedeutet, dass Drähte oder Bleche aus der Legierung Nickel-Titan gewisser­maßen ein Erinnerungs­ver­mögen haben: Werden sie verformt, nehmen sie anschließend die alte Form wieder an. Hier­durch können sie wie Muskeln an- und ent­spannen. Den Effekt, dass sie dabei Wärme auf­nehmen und wieder abgeben, nutzen wir zum Kühlen.“

Wird ein Nickel-Titan-Draht oder -Blech verformt oder gezogen, verändert sich die Gitter­struktur im Inneren des Metalls und es entstehen Spannungen. Diese Phasen­um­wandlungen erwärmen das Material. Wird das Metall nach dem Aus­gleich mit der Umgebungs­temperatur anschließend wieder entlastet, lösen sich die Spannungen und es kühlt stark ab, und zwar auf etwa zwanzig Grad unter dem Umgebungs­niveau. „Die Grund­idee war, einem Raum – etwa dem Inneren eines Kühl­schranks – Wärme zu entziehen, indem wir dort ein vorge­dehntes, super­elastisches Form­gedächtnis-Material entlasten und dabei stark abkühlen“, so Seelecke. „Die so aufge­nommene Wärme geben wir außer­halb des Kühl­schrankes an die Umgebung ab, indem wir das Material dort zur Temperatur­erhöhung wieder belasten, bevor der Kreis­prozess aufs Neue beginnt.“

In den bisherigen Versuchsreihen und Simulations­modellen haben die Wissen­schaftler nachge­wiesen, dass ein solches Kühl­ver­fahren funktio­niert und in der Praxis einge­setzt werden kann. Anhand eines Modell­systems erforschten sie, wie der Kühl­mecha­nismus am effizien­testen abläuft und unter­suchten, wie stark das Material gezogen oder gebogen werden muss, um eine bestimmte Kühl­leistung zu erreichen, oder ob der Prozess langsam oder schnell effektiver ist. Mit einer Thermo­kamera analy­sierten sie, wie Erwärmung und Abkühlung exakt ablaufen.

„Wir sind jetzt dabei, aufbauend auf diesen Ergebnissen einen optimierten Proto­typen zur Luft­kühlung zu bauen“, erläutert Schütze. „Bei ihm stellen wir einen Kühl­kreis­lauf her: Die warme Luft wird auf der einen Seite an einem rotie­renden Bündel von Form­ge­dächtnis-Drähten vorbei­geleitet. Indem wir mehrere Drähte verwenden, erzielen wir eine höhere Kühl­leistung. Das Bündel wird belastet, wird dabei wärmer, dreht sich, wird auf der anderen Seite entlastet und kühlt ab. Die zu kühlende Luft wird dort dann vorbei­geleitet, um so einen angren­zenden Raum zu kühlen.“ Wie dies optimal abläuft, daran feilen die Ingenieure aktuell. Um den Prozess noch weiter zu optimieren, werden alle Abläufe modelliert und die Modelle durch Vergleich mit Experi­menten weiter verfeinert. Aus Modell und Experiment wollen die Forscher ableiten, aus wie vielen Form­ge­dächtnis-Drähten das rotierende Draht-Bündel idealer­weise besteht, oder welche Dreh­zahl bei der Rotation die besten Ergebnisse liefert.

UdS / RK