Energiesparende Kühlmittel aus dem 3D-Drucker: Klimatechnologie Elastokalorik auf der Hannover Messe

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Den Effekt plötzlich eintretender Kälte kann die Besucherschaft der
Hannover Messe mit eigenen Sinnen erfahren: Es genügt vom Prinzip her, das
Material zu ziehen und wieder zu entlasten, um damit zu kühlen – oder auch
zu heizen. Das Team von Paul Motzki von der Universität des Saarlandes
entwickelt die klimaschonende Kühl- und Heiztechnologie Elastokalorik für
den Praxiseinsatz weiter:

Die Forscher bauen an Klimaelementen mit langer
Lebensdauer und feilen am Design, um diese leicht auszutauschen. Mit den
3D-Druck-Experten um Dirk Bähre forschen sie an neuen Kühlmittelformen.
Die aktuellen Entwicklungen rund um die Klimatechnologie zeigen die Teams
auf der Hannover Messe (20. bis 24. April).

Die glänzenden Würfel mit unterschiedlicher Geometrie sehen aus wie
stylische Deko-Objekte. Aber die Ästhetik der 3D-gedruckten Mini-
Kunstwerke ist für die Forscher allenfalls ein beiläufiger Nebeneffekt.
Was die Fertigungstechniker aus dem Team von Professor Dirk Bähre zusammen
mit den Experten für smarte Materialsysteme um Professor Paul Motzki
entwickeln, ist alles andere als nur optisch reizvoll. „Es handelt sich um
die nächste Ausbaustufe der Klimatechnologie Elastokalorik. Mit den neuen
Strukturen sind wir noch auf dem Gebiet der Grundlagenforschung – aber wir
arbeiten daran, auch diese Technologie zügig praxisreif
weiterzuentwickeln“, erklärt Paul Motzki. Die neuen Geometrien für Kühl-
und Heizmittel sollen mit möglichst großer Oberfläche im Inneren wie
Äußeren so viel Kühl- und Heizeffekt bringen wie möglich.

Die Klimatechnologie Elastokalorik braucht keine klimaschädlichen
Kältemittel zum Kühlen und kein Öl oder Gas zum Heizen. Kühl- und
Heizmittel sind hier Materialien aus der Formgedächtnislegierung
Nickel‑Titan: Bislang forschte das Team von Paul Motzki von der
Universität des Saarlandes an haarfeinen Drahtbündeln und dünnen Blechen
aus dieser Legierung. Diese geben Wärme ab, wenn man sie zieht oder
drückt, und nehmen Wärme auf, wenn man sie wieder entlastet. Die
Ingenieure nutzen dies, um Wärme von einem Ort zum anderen zu
transportieren, also etwa aus einer Kühlkammer heraus. Daran, dass mit
diesem einfachen Prinzip in Zukunft Autos, Häuser oder Industrieanlagen
umweltfreundlich und energieeffizient gekühlt und geheizt werden können,
forschen die Ingenieurinnen und Ingenieure an der Universität des
Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und
Automatisierungstechnik (Zema) bereits seit über 15 Jahren. Auf der
Hannover Messe zeigen sie, wie nah die Technologie bereits an der
Anwendung ist: Das Stadium der reinen Grundlagenforschung hat sie hinter
sich gelassen.

Wie neue Materialien kühlen

Kühlen und Heizen verbrauchen heute weltweit enorme Energiemengen – mit
dem Klimawandel ist die Tendenz steigend. Die Elastokalorik stellt im
Vergleich zu herkömmlichen Kühl- und Heizmethoden einen deutlich besseren
Wirkungsgrad in Aussicht. Die Klimatechnologie arbeitet so sauber wie der
Strom gewonnen wird, der sie antreibt. Die EU-Kommission sieht die
Technologie als „zukunftsträchtigste Alternative“ zu den herkömmlichen
Verfahren, und das Weltwirtschaftsforum zählte sie zu den „TOP Ten
Emerging Technologies“. Sie beruht auf den besonderen Eigenschaften von
Nickel‑Titan: Diese Legierung verhält sich beim Verformen anders als
übliche Metalle.

Das Material hat ein Formgedächtnis: Nickel-Titan besitzt zwei Phasen, die
ineinander übergehen können, sich im übertragenen Sinne also aneinander
„erinnern“. Beim Wechsel der Phasen kommt es zum Wärmetransport. „Die
Legierung ist bei Raumtemperatur in einer Hochtemperaturphase. Durch Zug
oder Druck zwingen wir sie mechanisch in die Niedertemperaturphase. Dabei
wird Wärme abgegeben, das Material wird warm. Hat das Material dann
Umgebungstemperatur erreicht, entlasten wir es: Das Material wechselt
wieder in die Hochtemperaturphase und entzieht dabei der Umgebung die
Wärme: Das Material wird kalt“, schildert Paul Motzki den Kühlvorgang.
Also: Wird ein Nickel-Titan-Draht gezogen, gibt er Wärme an
vorbeiströmende Luft oder Flüssigkeit ab; wird er entlastet, nimmt er
Wärme auf. Dieses Ziehen und anschließende Entlasten, die mechanische
Verformung also, ist das Schlüsselprinzip der neuen Technologie.
Zusätzliche Sensoren benötigt sie nicht. Das Material selbst hat
Sensoreigenschaften. „Jede Verformung der Drähte lässt sich einem
konkreten Messwert des elektrischen Widerstandes zuordnen. Wir können an
den Messwerten ablesen, wie sich das Material gerade verformt. Damit ist
ein Positionssensor gleich integriert“, erläutert Motzki.

Die Saarbrücker Forscherinnen und Forscher versuchen durch größtmögliche
Oberfläche so viel Kühl- und Wärmeleistung zu erzielen wie möglich. Denn:
Je größer die Oberfläche, umso effizienter läuft der Wärmeübergang an das
jeweilige Medium Luft oder Wasser. Erhöhen Motzki und sein Team bislang
die Oberfläche durch das Bündeln vieler Formgedächtnisdrähte, sollen nun
neuartige Kühl- und Heizmittel durch eine im Inneren poröse geometrische
Struktur so viel Kontaktfläche wie möglich für den Kühl- und Heizeffekt
aufbieten. Hierzu entwickelt die Arbeitsgruppe von Paul Motzki mit dem
Team von Dirk Bähre komplizierte Formen aus Nickel-Titan, durch die Luft
oder Wasser durchströmen können, um Wärme aufzunehmen und abzugeben. Die
Forscher feilen am optimalen Design der filigranen Strukturen. Die
Legierung wird für die Experimente im 3D-Drucker Schicht für Schicht
gedruckt. Durch Tests soll sich zeigen, welche der komplizierten Formen
sich für das Kühlen und Heizen am besten eignen.

Wie die Forschungsteams die Technologie anwendungsreif machen

Zugleich arbeiten Motzki und sein Team daran, die Elastokalorik für den
Praxiseinsatz weiterzuentwickeln. Als zug- oder druckbasiertes Kühlsystem
sollen die Materialien künftig in Kühlschränken und Kühlaggregaten im
Dauereinsatz sein. „Wir arbeiten an robusten Materialien und einem Design,
das sich im Dauerbetrieb samt Wartung bewährt. Solche Fragen denken wir
bei der Entwicklung mit – das ist unser Grundansatz in der Forschung und
auch im Studium an der Universität des Saarlandes in Studiengängen wie
Systems Engineering oder Sustainable Materials and Engineering“, sagt Paul
Motzki, der, wie auch Dirk Bähre, zahlreiche Doktorandinnen und
Doktoranden, aber auch Studierende in diese Forschung einbezieht.

Die Ingenieurteams gehen zum einen in Experimenten der Frage nach, wie sie
die Materialien so belasten, dass sie lange halten. Hierzu stimmen sie die
Materialeigenschaften und die Zug- und Druckrhythmen aufeinander ab. „Wir
wollen zum Beispiel bei den Drahtbündeln eine Lebensdauer von über einer
Million Zyklen erreichen“, erläutert Paul Motzki. Irgendwann aber ermüdet
auch das beste Material. „Wir arbeiten deshalb zum anderen an einem
einfachen und schnellen Materialwechsel. Dafür konstruieren wir die
technischen Bauteile so, dass sie leicht ausgetauscht werden können. Von
solcher Wartungsoptimierung hängt auch ab, dass sich die neue
Kühltechnologie in der Praxis durchsetzen kann“, betont Motzki.

Förderungen und aktuelle Projekte zur Elastokalorik

Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert im
Rahmen der Förderlinie "T!Raum" das Projekt "DEPART!Saar" mit bis zu 18
Millionen Euro. Ziel ist es, die Elastokalorik durch die Entwicklung von
regionalen Transferstrukturen schneller in die Anwendung zu bringen und
somit die saarländische Wirtschaft zu stärken. Parallel entstehen Kühl-
Prototypen für Elektroautos im Projekt SmartCool, gefördert vom
Bundeswirtschaftsministerium: Die Volkswagen AG, das Fraunhofer IPM und
die Firma Ingpuls arbeiten hierbei gemeinsam mit dem Team von Paul Motzki
an leichten und energieeffizienten Komponenten. In einem weiteren
Forschungsprojekt entwickelt das Forschungsteam mit europäischen Partnern
eine Klimaanlage, die Wohnungen dezentral kühlen und heizen soll. Hierfür
erhält das Konsortium um Paul Motzki vier Millionen Euro im Rahmen der
„EIC Pathfinder Challenge“ vom Europäischen Innovationsrat. Gefördert mit
einem weiteren "ERC Starting Grant" des Europäischen Forschungsrates
arbeiten Motzki und sein Team daran, die Elastokalorik mit einer bislang
ebenfalls weltweit neuartigen Technologiekombination von
Formgedächtnismaterialien und smarten Folienantrieben voranzutreiben: Die
dielektrischen Elastomere sind die zweite Materialtechnologie, auf die
Paul Motzki sich spezialisiert hat.

Auf der Hannover Messe erläutern die Forscherinnen und Forscher die
Technologie und suchen Partner aus Industrie und Forschung, um die
Elastokalorik für weitere Anwendungen weiterzuentwickeln – von
Haushaltsgeräten bis zur Industriekühlung. Auf der Messe mit dabei ist
unter anderem auch wieder der funktionsfähige Prototyp des ersten
Elastokalorik‑Minikühlschranks, der zu Demonstrationszwecken eine Dose
kühlt. Hier rotieren rund 200 Mikrometer dünne Nickel-Titan-Drahtbündel um
eine runde Kühlkammer. Auf einer Seite werden sie gezogen, auf der anderen
entlastet. Die Luft strömt an den Drähten vorbei, und transportiert Wärme
aus der Kühlkammer heraus.

Gemeinschaftsstand „Germany‘s Saarland“ Halle 11, Stand D41.