Deutsches und japanisches Team entwickeln festkörperbasiertes Kühlsystem mit Abwärmeantrieb und erreichen 4 °C Temperaturdifferenz

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Tsukuba in Japan hat einen festkörperbasierten Kühlprototypen vorgestellt, der durch Wärme und nicht durch Strom angetrieben wird. Das System nutzt Formgedächtnislegierungs-Folien, um Wärmeenergie in mechanische Arbeit umzuwandeln, die wiederum in messbare Kälteleistung überführt wird – ein neuer Weg für die Kühlung mit Abwärme und Solarenergie. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Kühlschränke, Klimaanlagen und Rechenzentren sind auf strombetriebene Kompressoren angewiesen, die die vom Kältemittel transportierte Wärme von einem Ende zum anderen befördern – ein grundlegendes Funktionsprinzip, das seit über hundert Jahren unverändert ist. Gleichzeitig entfallen auf Kühlung und Heizung zusammen fast die Hälfte des weltweiten Energieverbrauchs, und viele gängige Kältemittel verstärken zudem die globale Erwärmung. Elastokalorische Festkörperkühlung gilt als vielversprechende Alternative: Formgedächtnislegierungen kühlen sich ab, wenn eine zuvor aufgebrachte mechanische Last freigegeben wird. Allerdings benötigten bisherige elastokalorische Kühlsysteme weiterhin elektrisch betriebene Aktuatoren, um die erforderliche Kraft zu erzeugen, sodass sie die reichlich verfügbaren Wärmequellen wie Abwärme und Solarenergie nicht direkt nutzen konnten.

Das Forschungsteam kombinierte zwei funktional komplementäre, ultradünne Nickel-Titan-Folien. Die erste Folie nutzt den Formgedächtniseffekt: Sie zieht sich beim Erhitzen zusammen und wandelt Wärmeenergie direkt in mechanische Arbeit um – ohne Elektromotor. Diese Bewegung wird anschließend auf die zweite Folie übertragen, die durch zyklisches Aufbringen und Freigeben der Last reversible Änderungen der Kristallstruktur hervorruft und dadurch Kälte erzeugt. Thermische Energie ersetzt damit den elektrischen Aktuator, der zuvor elastokalorische Kühlsysteme antrieb.

Dr. Jingyuan Xu, Leiterin der Nachwuchsforschungsgruppe ZEco Thermal Lab am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT, erklärt, dass die entscheidende Innovation in der Kombination zweier komplementärer Funktionen der Formgedächtnislegierung liegt: Eine Folie wandelt Wärme in mechanische Arbeit um, die andere Folie wandelt diese Arbeit in Kälte um. Dieser Ansatz etabliert eine neue Methode zur Ansteuerung der Festkörperkühlung und eröffnet neue Möglichkeiten für die Nutzung von Abwärme und Solarenergie.

Bei einer Aktuatortemperatur von 86 °C erreichte das Prototypsystem auf Komponentenebene eine Temperaturdifferenz von 4 °C, wobei die Temperaturänderung des elastokalorischen Kältemittels nahezu 13 °C betrug. Damit verifizierte das Forschungsteam erstmals experimentell die Machbarkeit des Konzepts. Das Gerät arbeitete zudem stabil bei einer externen Wärmequelleneingabe von 130 °C, was zeigt, dass das System mit realen Wärmequellen funktionieren kann. Yi-Ting Hsiau, Erstautor der Studie und Doktorand am IMT, erklärte, der entscheidende Moment sei gewesen, als tatsächlich Kälte gemessen wurde, die vom wärmegetriebenen System erzeugt wurde – ein Beweis, dass das Prinzip nicht nur theoretisch funktioniert.

Die aktuelle Vorrichtung wurde entsprechend den Zielen einer Machbarkeitsstudie ausgelegt und ist noch nicht auf maximale Kühlleistung optimiert. Das Forschungsteam arbeitet nun daran, mehrere Folien parallel zu schalten, um die Kühlleistung zu erhöhen. Die potenziellen Anwendungen umfassen mehrere Richtungen, darunter die Kühlung von Computerchips mithilfe der Abwärme des Prozessors selbst sowie die Kühlung empfindlicher elektronischer Komponenten in Fahrzeugen durch die Wärme des Antriebsstrangs. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Tsukuba in Japan durchgeführt. Das Forschungsteam ist überzeugt, dass dies erst der Anfang ist: Durch die Weiterentwicklung dieser Technologie könnten kompakte Kühlsysteme entstehen, die mit breit verfügbaren Wärmequellen eine nachhaltige Kühlung ermöglichen.