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17.02.2016 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Kühlen mit Formgedächtnislegierungen

Autor:
Dieter Beste


Wie wird der Kühlschrank der Zukunft funktionieren? Saarbrücker Forscher gehen einen völlig neuen Weg und setzen auf Formgedächtnis-Materialien für den Kühlkreislauf.

Werden Formgedächtnislegierungen verformt oder gezogen, verändert sich die Gitterstruktur im Innern der Metalle. Es findet ein Phasenwechsel statt, verbunden mit Spannungen, die solche Materialien danach streben lassen, ihre ursprüngliche Form wieder einzunehmen. „Für die meisten Phasenübergänge ist es notwendig, dass Atome durch das Kristallgitter diffundieren, also Strecken von mehr als einer Gitterkonstante Länge zurücklegen“, erklärt Springer-Autor Martin Bäker in „Funktionswerkstoffe“. Derartige Phasenübergänge, wie etwa von weißem Zinn oberhalb von 13 Grad Celsius zu grauem, nichtmetallischem Zinn unterhalb dieser Temperatur vollziehen sich sehr langsam. „Formgedächtnislegierungen dagegen führen diffusionslose Phasenübergänge durch, bei denen die Wege, die die einzelnen Atome zurückzulegen haben, klein sind.“ (Seite 38).

Formgedächtnislegierungen – häufig aus Nickel und Titan – können sich somit wie Muskeln schnell an- und wieder entspannen. Aber mehr noch: Die bei der Verformung stattfindenden 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: etwa 20 Grad unter Umgebungsniveau.

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Werkstoffforscher der Universität des Saarlandes und der Ruhr-Universität Bochum fragten sich, ob sich dieser Effekt nicht dazu nutzen ließe, Wärme abzutransportieren und eine neuartige Kühltechnik zu entwickeln. „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. 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“, berichtet Stefan Seelecke, Professor für Intelligente Materialsysteme in Saarbrücken. 

Prototyp mit neuartigem Kühlkreislauf

In ihren bisherigen Versuchsreihen und Simulationsmodellen konnte die Forschergruppe nachweisen, dass ein solches Kühlverfahren funktioniert. Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft wollen die Wissenschaftler jetzt herauszufinden, wie der Kühlmechanismus am effizientesten abläuft, und sie wollen einen optimierten Prototyp zur Luftkühlung bauen: „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“, erläutert Andreas Schütze vom Saarbrücker Lehrstuhl für Messtechnik den Plan. 

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2014 | OriginalPaper | Buchkapitel

Formgedächtnislegierungen

Quelle:
Funktionswerkstoffe

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