Durch den Einsatz künstlicher Muskeln haben Forscher der Universität des Saarlandes eine umweltfreundliche Kühl- und Heiztechnik entwickelt, die doppelt bis dreifach so effizient ist wie herkömmliche Geräte.
Die Doktoranden Felix Welsch und Susanne Marie Kirsch mit der ersten Maschine, die Luft mittels Muskeln aus Nickel-Titan kühlt.
Oliver Dietze
Während zum Kühlen Wärme abtransportiert werden muss, ist zum Heizen das Zuführen von Wärmeenergie erforderlich. Der Prototyp eines Kühl- und Heizgeräts, den Ingenieurinnen und Ingenieure der Universität des Saarlandes entwickelt haben, transportiert Wärme mit einer völlig neuen Methode, die ohne die Nachteile der bisher üblichen Arten zu Kühlen und zu Heizen auskommt. Im Grunde beruht das Verfahren darauf, dass Drähte aus einer besonderen Formgedächtnislegierung, in diesem Falle Nickel-Titan (NiTi), gezogen und wieder entlastet werden. „Die Phasenumwandlungen, die dabei in der Kristallstruktur des Materials stattfinden, setzen sogenannte latente Wärmen frei, beziehungsweise absorbieren diese“, erläutert Stefan Seelecke, Professor für Intelligente Materialsysteme der Saar-Universität.
Nickel-Titan als Formgedächtnislegierung
Bei den Drähten aus Nickel-Titan ist dieser Effekt besonders stark: "Wenn zuvor gespannte Drähte bei Raumtemperatur wieder entlastet werden, kühlen sie sich dadurch um bis zu etwa 20 °C ab", sagt Felix Welsch, der gemeinsam mit Susanne-Marie Kirsch im Rahmen von Doktorarbeiten am Prototyp arbeitet. Das macht es möglich, Wärme abzutransportieren. "Beim Belasten findet eine ebenso große Erwärmung statt, so dass der Prozess auch als Wärmepumpe eingesetzt werden kann", erklärt Welsch. Der Prototyp ist die erste kontinuierlich laufende Maschine, die Luft mit dem neuen Verfahren kühlt. Ein speziell konstruierter angemeldeter Nockenantrieb sorgt dafür, dass während der Rotation fortwährend Bündel aus 200 Mikrometer dicken NiTi-Drähten gezogen und entlastet werden. In zwei separaten Kammern wird Luft durch die Bündel geblasen, die in der einen entsprechend erwärmt und in der anderen gekühlt wird. So lässt sich die Maschine wahlweise als Wärmepumpe oder Kühlmaschine betreiben.
Zwei- bis Dreifache Effizienz
Je nach Legierung kann das Gerät bis zu dreißigmal mehr Wärme- oder Kühlleistung abgeben als es mechanische Leistung beim Ziehen und Loslassen benötigt. Damit ist das System bislang bereits zweimal effizienter als eine Wärmepumpe und dreimal effizienter als ein herkömmlicher Kühlschrank. Zudem ist sie umwelt- und klimafreundlich, da die Kühlung oder Erwärmung unmittelbar erfolgt. So kann beispielsweise Luft in einer Klimaanlage ohne zwischengeschaltete Wärmetauscher gekühlt werden, dazu werden keine hochdruckfesten und dichten Leitungssysteme benötigt. Aktuell forschen die Saarbrücker Ingenieurinnen und Ingenieure daran, die Wärmeübertragung der Maschine weiter zu optimieren, um die Effizienz noch weiter zu steigern "Wir wollen erreichen, dass die gesamte Energie aus den Phasenumwandlungen möglichst vollständig zum Kühlen oder Heizen verwendet wird", erklärt Doktorand Felix Welsch.