In Zusammenarbeit mit 3D-Druckspezialisten unter der Leitung von Professor Dirk Bähre entwickeln sie neuartige und energieeffiziente Geometrien für Kühlelemente. Die glänzenden Würfel mit ihrer markanten Geometrie könnten leicht für elegante Dekorationsobjekte gehalten werden. Für die Forscher, die mit diesen 3D-gedruckten Strukturen arbeiten, liegt ihr Reiz jedoch weniger in ihrer Ästhetik als vielmehr in ihrer Funktionalität. Die Fertigungsingenieure in Professor Bähres Team und die Spezialisten für intelligente Materialien unter der Leitung von Professor Paul Motzki interessieren sich dafür, wie sich diese Metallstrukturen in den innovativen Kühl- und Heizsystemen bewähren, die derzeit in Saarbrücken entwickelt werden. „Dies ist der nächste Schritt in der Entwicklung der elastokalorischen Technologie. Die Forschung, die wir aktuell an diesen neuen Strukturen betreiben, befindet sich noch im Bereich der Grundlagenforschung, aber wir denken bereits an ihren praktischen Einsatz und entwickeln Lösungen für reale Anwendungen“, erklärt Paul Motzki. Die neuartigen Geometrien dieser neuen Kühl- und Heizelemente sind darauf ausgelegt, die Wärmeübertragungseffizienz durch Maximierung der Oberfläche, über die Wärmeenergie ausgetauscht wird, zu steigern.

Statt mit klimaschädlichen Kältemitteln zu kühlen oder mit fossilen Brennstoffen wie Öl oder Gas zu heizen, nutzen elastokalorische Systeme Komponenten aus der Formgedächtnislegierung Nickel-Titan. Das Team um Paul Motzki an der Universität des Saarlandes untersucht seit Längerem die elastokalorischen Eigenschaften von ultrafeinen Drahtbündeln und dünnen Blechen aus dieser Legierung. Diese Komponenten geben Wärme ab, wenn sie gedehnt oder gestaucht werden, und absorbieren Wärme, wenn die mechanische Belastung nachlässt. Die Ingenieure in Saarbrücken nutzen den elastokalorischen Effekt, um Wärme zu transportieren, beispielsweise um Wärme aus einer Kühlkammer abzuführen. Forschungsteams der Universität des Saarlandes und des Saarbrückener Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) erforschen den elastokalorischen Effekt seit über 15 Jahren mit dem langfristigen Ziel, Autos, Gebäude und Industrieanlagen umweltfreundlich und energieeffizient zu kühlen und zu heizen. Auf der diesjährigen Hannover Messe demonstriert das Team, dass seine Technologie die Grundlagenforschung hinter sich gelassen hat und auf dem besten Weg zu realen Anwendungen ist.

Spannende neue Materialien:
Weltweit werden enorme Energiemengen für Kühlung und Heizung verbraucht, und mit dem Klimawandel wird der Bedarf weiter steigen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kühl- und Heizmethoden verspricht die elastokalorische Technologie eine deutlich höhere Effizienz. Elastokalorische Systeme werden ausschließlich mit Strom betrieben und sind somit so sauber wie der Strom, der zu ihrem Betrieb verwendet wird. Die Europäische Kommission hat die elastokalorische Kühlung als vielversprechendste Alternative zu konventionellen Kühltechnologien identifiziert, und das Weltwirtschaftsforum zählte sie zu den „Top Ten Emerging Technologies“. Die Technologie basiert auf den besonderen Eigenschaften von Nickel-Titan, einer Legierung, die sich bei Verformung ganz anders verhält als herkömmliche Metalle.

Nickel-Titan ist eine sogenannte Formgedächtnislegierung. Das bedeutet, dass sich das Material verformen lässt und aufgrund einer reversiblen Phasenumwandlung zwischen zwei festen Kristallstrukturen wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Diese Phasenumwandlung ist mit einem Wärmeaustausch verbunden. „Bei Raumtemperatur befindet sich die Legierung in ihrer Hochtemperaturphase. Durch Zug- oder Druckspannung wird das Material in seine Tieftemperaturphase gezwungen. Dies ist ein exothermer Prozess, bei dem sich das Material erwärmt und Wärme an die Umgebung abgibt. Sobald das Material wieder auf Raumtemperatur abgekühlt ist, wird die mechanische Spannung gelöst. Dadurch kehrt die Legierung in ihre Hochtemperaturphase zurück, und da dies ein endothermer Prozess ist, kühlt das Material ab“, erklärt Paul Motzki. Vereinfacht gesagt: Wird ein Nickel-Titan-Draht gedehnt, gibt er Wärme an die umgebende Luft oder Flüssigkeit ab; wird die Spannung gelöst, kühlt er ab und kann Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Dieser Zyklus aus wiederholter Zugbelastung und -entlastung ist das Kernprinzip der neuen Technologie. Zusätzliche Sensoren sind nicht erforderlich, da das Material selbst über intrinsische Sensoreigenschaften verfügt. „Jede Verformung der Drähte entspricht einem spezifischen elektrischen Widerstandswert. Widerstandsmessungen zeigen uns somit genau, wie sich das Material in jedem Moment verformt.“ „Das bedeutet in der Praxis, dass ein Positionssensor integriert ist“, erklärt Motzki.
Die Forscher in Saarbrücken wollen die Wärmeübertragung durch eine maximale Oberfläche optimieren. Je größer die Oberfläche, desto effizienter kann Wärme an das Arbeitsmedium – Luft oder Wasser – abgegeben werden. Bisher hat das Team die Oberfläche durch Bündel aus vielen ultradünnen Formgedächtnisdrähten vergrößert. In der nächsten Generation dieser Geräte werden die Kühl- und Heizelemente durch eine poröse Nickel-Titan-Struktur eine noch größere Kontaktfläche bieten. Um dies zu erreichen, arbeitet die Forschungsgruppe von Paul Motzki mit dem Team von Dirk Bähre zusammen, um eine komplexe Nickel-Titan-Struktur zu entwickeln, durch die das Wärmeträgermedium (Luft oder Wasser) strömen kann. Die Forscher verfeinern und optimieren das Design dieser filigranen Legierungsgitter. Verschiedene komplexe Geometrien werden experimentell getestet, um die Strukturen mit der effizientesten Wärmeübertragung zu ermitteln. Die dreidimensionalen Legierungsstrukturen werden Schicht für Schicht im 3D-Druckverfahren additiv gefertigt.

Technologie für die Praxis vorbereiten:
Während Experimente und Labortests weiterlaufen, arbeitet Motzki mit seinem Team an der Weiterentwicklung des aufstrebenden Gebiets der Elastokalorik für den praktischen Einsatz. Die in zukünftigen elastokalorischen Kühlsystemen verwendeten Materialien müssen für den Dauerbetrieb in Kühlschränken und Kälteanlagen geeignet sein. „Wir entwickeln robuste und wartungsfreundliche Materialien und Konstruktionen für den Dauereinsatz. Fragen zu potenziellen zukünftigen Anwendungen fließen von Anfang an in den Entwicklungsprozess ein; dies ist ein Grundprinzip unserer Forschung und prägt auch die Lehrpläne unserer Studiengänge wie System- und Werkstofftechnik sowie Nachhaltige Technik“, erklärt Paul Motzki, der – wie Dirk Bähre – zahlreiche Doktoranden und Bachelorstudierende in diese Arbeit einbindet.

Eine der experimentell untersuchten Fragen ist, wie die Materialien mechanischer Belastung ausgesetzt werden können, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Dies erfordert die Anpassung der Legierungseigenschaften an die Zug- und Druckbelastung. „Bei Konstruktionen mit Kabelbündeln streben wir beispielsweise eine Lebensdauer von über einer Million Schaltzyklen an“, sagt Paul Motzki. Doch selbst die besten Materialien ermüden irgendwann. „Deshalb entwickeln wir auch ein einfaches und schnelles Austauschkonzept. Wir konstruieren die relevanten Komponenten so, dass sie sich leicht austauschen lassen, denn die Wartungsfreundlichkeit ist ein entscheidender Faktor dafür, ob sich diese neue Technologie im zuverlässigen Alltagseinsatz bewährt“, erklärt Motzki.

Aktuelle Förderungen und Projekte im Bereich Elastokalorik:
Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert das Projekt „DEPART!Saar“ mit bis zu 18 Millionen Euro im Rahmen seines Programms „T!Raum“. Ziel des Projekts ist die Stärkung der saarländischen Wirtschaft durch den Aufbau regionaler Innovations- und Transferstrukturen, die den Transfer elastokalorischer Technologien in die Praxis beschleunigen. Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt SmartCool arbeiten Ingenieure in Saarbrücken mit der Volkswagen AG, dem Fraunhofer IPM und Ingpuls an der Entwicklung leichter und energieeffizienter Kühlsysteme für Elektrofahrzeuge. In einem weiteren Forschungsprojekt entwickelt das Team gemeinsam mit europäischen Partnern ein elastokalorisches Klimatisierungssystem zur Kühlung und Heizung einzelner Räume in Wohngebäuden. Das Projektkonsortium unter der Leitung von Paul Motzki erhält insgesamt 4 Millionen Euro Fördermittel im Rahmen der „EIC Pathfinder Challenge“ des Europäischen Innovationsrats. Mit zusätzlicher Förderung durch einen ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) treibt Paul Motzki mit seinem Team die Entwicklung elastokalorischer Technologien voran. Dabei nutzen sie eine weltweit erstmalige Kombination aus Formgedächtnismaterialien und intelligenten Filmaktoren. Dielektrische Elastomere sind das zweite Gebiet intelligenter Materialien, in dem Paul Motzki als anerkannter Experte gilt.