Ein großer Teil der weltweiten Energie fließt mittlerweile in Heiz- und Kühlsysteme von Räumen oder Geräten. Ein internationales Forscherteam demonstrierte kürzlich eine Alternative zu klassischen Kompressoren und ermöglicht das Kühlen ohne herkömmliche Kältemittel – und sogar ohne Strom. Das neuartige System nutzt Metallfolien, um Abwärme zu einer Kühlung zu machen.
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit der Universität Tsukuba in Japan ein neuartiges Kühlsystem entwickelt. Die Wissenschaftler stellte ein Konzept vor, das die derzeit gängigen Elektromotoren in Klimaanlagen oder Kühlschränken überflüssig machen könnte. Denn anstatt Strom für den Betrieb zu verwenden, nutzt das System Abwärme als Antrieb.
Möglich macht das eine feste Legierung aus Nickel und Titan. Das Team nutzte für seinen Ansatz zwei Metallfolien anstatt gängiger, klimaschädlicher Kältemittel. Eine Folie zieht sich unter Wärme (im Versuchsaufbau: 86 Grad Celsius) zusammen; es entsteht eine mechanische Kraft. Diese Kraft wird genutzt, um die zweite Folie zu dehnen. Die Kristallstruktur verändert sich durch das kontinuierliche Be- und Entlasten, wodurch dem System Energie entzogen wird.
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Kühlen ohne klassische Kältemittel und Strom
Genau dieser Vorgang erzeugt am Ende die gewünschte Kälte. Das Kältemittel erreichte dabei eine Temperaturänderung von knapp 13 Grad Celsius. Auf Bauteilebene soll die Temperatur bisher verlässlich um vier Grad Celsius sinken. Doktor Jingyuan Xu, Young Investigator Group Leader des ZEco Thermal Lab am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT, betonte den Kern der Entwicklung:
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.
Für den Ansatz gibt es einige mögliche Einsatzszenarien. Computer-Prozessoren könnten etwa ihre eigene Abwärme nutzen, um sich herunterzukühlen. Auch in Fahrzeugen könnte die Wärme aus dem Antriebsstrang genutzt werden, um die empfindliche Elektronik zu kühlen.
Der lange Weg aus dem Labor in den Alltag
Derzeit steht die Technologie noch am Anfang. Es handelt sich um eine reine Machbarkeitsstudie aus dem Labor. Die bisher erzielte Absenkung der Temperatur um vier Grad Celsius reicht bei weitem noch nicht aus, um in anspruchsvollen Alltagsanwendungen zu bestehen.
Zudem benötigt das System derzeit noch eine recht heiße Quelle von 86 bis 130 Grad Celsius, um verlässlich zu arbeiten. Gefördert von der Carl-Zeiss-Stiftung im Rahmen des CZS-Nexus-Projekts, der Baden-Württemberg-Stiftung sowie der Hector Fellow Academy arbeitet das Forscherteam aber bereits an der Skalierung.
Ein Mechanismus zur Optimierung soll in den verwendeten Folien liegen. Bei der Parallelschaltung mehrerer Folien könnte der Kühlungseffekt etwa deutlich ansteigen. Dann könnten Kühlgeräte eines Tages mit kostenloser Sonnen- oder Abwärme arbeiten und das Stromnetz auf diesem Weg massiv entlasten.
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