Das Forschungsteam um die Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki an der Universität des Saarlandes entwickelt derzeit Prototypensysteme für den Einsatz in Fahrzeugen. Ziel ist die Markteinführung innerhalb von fünf Jahren.

Laut Physik ist Kälte schlicht die Abwesenheit von Wärme. Um etwas abzukühlen, muss man Wärme entziehen; um es zu erwärmen, muss man Wärme zuführen. Ein recht einfacher Gedanke, den Forscher in Saarbrücken besonders innovativ umgesetzt haben. Das Team nutzt eine spezielle Eigenschaft der Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtnis (Nitinol oder Ni-Ti). Vereinfacht gesagt: Durch wiederholtes Dehnen und Entspannen von Bündeln ultradünner Nitinol-Drähte oder -Folien kann Wärme an einer Stelle aufgenommen und an einer anderen wieder abgegeben werden. Auf diesem elementaren Prinzip basiert die Entwicklung der neuartigen Klimatechnik durch das Forschungsteam um Stefan Seelecke und Paul Motzki von der Universität des Saarlandes und dem Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) in Saarbrücken. Die wegweisenden Forschungsprojekte wurden mit Millionenbeträgen gefördert.

Die Europäische Kommission hat die elastokalorische Technologie als eine der vielversprechendsten Alternativen zu konventionellen Heiz- und Kühlsystemen anerkannt. Das Weltwirtschaftsforum nahm das elastokalorische Verfahren 2024 in seine Liste der „Top Ten Emerging Technologies“ auf. Im Vergleich zu konventionellen Kühltechnologien, die große Mengen an Energie verbrauchen und die Umwelt mit Kältemitteln und klimaschädlichen Treibhausgasen belasten können, ist die in Saarbrücken entwickelte Technologie energieeffizienter und so sauber wie der zu ihrer Stromversorgung verwendete Strom. Elastokalorische Systeme verzichten auf umweltschädliche Kältemittel und fossile Brennstoffe. Das Gebiet der Elastokalorik, zu dessen Pionieren Stefan Seelecke und Paul Motzki zählen, hat das Potenzial, eine wichtige Rolle im Kampf gegen die globale Energiekrise zu spielen. Laut Umweltbundesamt entfällt etwas mehr als die Hälfte des deutschen Endenergieverbrauchs auf Heizung und Kühlung. Die Internationale Energieagentur (IEA) berichtet zudem, dass allein die Raumkühlung derzeit 12 Prozent des weltweiten Energiebedarfs ausmacht. „Prognosen deuten darauf hin, dass sich diese Zahl bis 2050 verdreifachen könnte“, sagt Paul Motzki, Professor für Intelligente Materialsysteme für Innovative Produktion an der Universität des Saarlandes und Chief Scientific Officer und CEO von ZeMA.

Die elastokalorische Technologie erreicht zunehmend die Reifephase. Forscherinnen und Forscher sind bestrebt, ihre Erkenntnisse in praktische industrielle und kommerzielle Lösungen umzusetzen. Um den Wissenstransfer zu fördern, investiert die Bundesregierung über neun Jahre mehr als 17 Millionen Euro in das Projekt DEPART!Saar, das Forschende aus dem Saarland mit Forschungseinrichtungen und Industriepartnern vernetzen soll.

In einem weiteren, kürzlich gestarteten Projekt arbeitet das Team aus Saarbrücken mit der Volkswagen AG, dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg und der Firma Ingpuls GmbH in Bochum zusammen. Ziel ist die Entwicklung einer leichten, energieeffizienten Klimaanlage für Elektrofahrzeuge sowie einer Kühlungsmöglichkeit für die Traktionsbatterien mithilfe elastokalorischer Technologie. „Das Projekt wird mit 3,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert, und wir entwickeln derzeit die ersten Prototypen“, erklärt Paul Motzki.

In einem weiteren neuen Forschungsprojekt arbeitet das Team an einem elastokalorischen Klimatisierungssystem, das einzelne Räume in Wohngebäuden über Lüftungsschlitze in den Außenwänden kühlen und heizen kann. Letztes Jahr gewann Paul Motzki mit seinem Team als Teil eines europäischen Konsortiums den renommierten EIC Pathfinder Challenge des Europäischen Innovationsrats (EIC) mit einem Preisgeld von 4 Millionen Euro. Mit diesem Preis werden „visionäre und radikal neue Technologien ausgezeichnet, die das Potenzial haben, notwendige gesellschaftliche Veränderungen zu ermöglichen, globale Herausforderungen anzugehen und neue Märkte zu erschließen“. In den kommenden drei Jahren wird bei SMACool, einem Konsortium mit Partnern wie der Universität Ljubljana, der Universität Neapel Federico II und dem irischen Unternehmen exergyn, ein Prototyp des Klimatisierungssystems entwickelt. „Das elastokalorische System fungiert sowohl als Kühlgerät als auch als Wärmepumpe. Mit einem drei- bis fünfmal höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Systeme benötigt unsere Technologie deutlich weniger Strom“, erklärt Professor Motzki, der wissenschaftliche Leiter des Projekts.

Ob zum Kühlen oder Heizen – das System erreicht Temperaturdifferenzen von rund 20 °C. „Dies gilt für einstufige Komponenten“, erklärt Motzki. „Mit mehrstufigen Systemen lassen sich deutlich größere Temperaturdifferenzen erzielen.“ Grundlage aller in Saarbrücken entwickelten elastokalorischen Prototypen ist die außergewöhnliche Formgedächtniseigenschaft der Nickel-Titan-Legierung. Nickel-Titan besitzt zwei Kristallgitter, also zwei kristallographische Phasen mit leicht unterschiedlichen physikalischen Abmessungen. Der Begriff „Formgedächtnislegierung“ (FGL) beschreibt die Fähigkeit des Materials, durch eine reversible Phasenumwandlung in einen vorherigen Zustand (Kristallgitterstruktur) zurückzukehren. Wasser kann bekanntlich in drei Aggregatzuständen existieren: fest (Eis), flüssig (Wasser) und gasförmig (Wasserdampf). Im Gegensatz zu Wasser sind die Phasen von Nickel-Titan jedoch beide fest. Bei der Phasenumwandlung absorbieren die FGL-Drähte oder -Folien Wärme. Wenn sich diese Phase erneut umwandelt, gibt das Material die Wärme an seine Umgebung ab. Die Luft, die während eines Phasenübergangs über die Nickel-Titan-Legierung strömt, kühlt sich daher ab oder erwärmt sich. Dieser Effekt kann beispielsweise zum Heizen oder Kühlen von Räumen in Gebäuden genutzt werden. „Je nach Anwendung verwenden wir SMA-Drähte, dünne Bleche oder sogar 3D-gedruckte Bauteile mit komplexen Geometrien“, erklärt Motzki.

Das zugrundeliegende Prinzip mag zwar einfach erscheinen, doch die Entwicklung eines praktischen Kühl- und Heizsystems aus diesen Materialien erfordert ausgeklügelte technische Innovationen. Experten in Saarbrücken haben sorgfältig konstruierte Prototypen entwickelt, die im Dauerbetrieb arbeiten können. Sie haben Demonstrationsmodelle gebaut, die kontinuierlich Phasenübergänge in Metallblechen oder -drähten induzieren können, um Wärme an ein Medium wie Luft, Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch abzugeben oder von diesem zu übertragen, das über das Formgedächtnislegierungsmaterial strömt. Zu den Fragen, mit denen sich das Team befasst, gehören die optimale Anwendung mechanischer Belastungen auf die Nickel-Titan-Legierung, um den gewünschten Kühl- oder Heizeffekt zu erzielen, die Verbesserung der Prozesseffizienz, die Optimierung der Fluidströmung und die Frage, welche Blechform oder welches Drahtbündel für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist. Die Forscher haben außerdem eine Software entwickelt, mit der sie die Heiz- und Kühltechnologie für verschiedene Anwendungen feinabstimmen sowie Kühlsysteme simulieren und planen können. „Wir wollen das Innovationspotenzial der Elastokalorik in einem breiten Anwendungsspektrum nutzen, von Haushaltsgeräten bis hin zu industriellen Kühlsystemen“, sagt Paul Motzki. Das Team aus Saarbrücken arbeitet mit anderen Experten auf diesem Gebiet zusammen, beispielsweise mit der Ingpuls GmbH, um den gesamten Produktlebenszyklus zu untersuchen, von den Rohstoffen über die Komponentenherstellung bis hin zum Recycling am Ende der Nutzungsdauer.

Die Technologie aus Saarbrücken ist das Ergebnis von über 15 Jahren Forschung in Millionen-Euro-Projekten und Doktorarbeiten, die mit mehreren internationalen Preisen ausgezeichnet wurden. Zu den Ergebnissen zählen das weltweit erste Demonstrationsmodell des kontinuierlichen elastokalorischen Luft-Luft-Effekts und der weltweit erste elastokalorische Minikühlschrank.

Der elastokalorische Kühlschrank verfügt über eine patentierte, speziell entwickelte Kurvenbahn, die Bündel aus 200 Mikrometer dicken Nitinoldrähten kontinuierlich in einer kreisförmigen Kühlkammer rotieren lässt. Während die Drahtbündel rotieren, werden sie auf der einen Seite des Kreises gespannt und können sich auf der anderen Seite wieder entspannen. Luft strömt durch die rotierenden Bündel in die Kühlkammer, wo sich die Drähte erneut entspannen und der Luft Wärme entziehen. Durch die weitere Rotation transportieren die erhitzten Nitinoldrähte die aufgenommene Wärme aus der Kühlkammer heraus und geben sie an die Umgebung ab. „Innerhalb der Kühlkammer kommt die Luft nur mit den unbelasteten Drähten in Kontakt. Mit diesem Prototyp erreichen wir Temperaturen von etwa 15 Grad Celsius“, erklärt Paul Motzki.

„Ein weiterer wichtiger Aspekt unserer Technologie ist ihre Selbstüberwachung. Jeder elektrische Widerstandswert entspricht einem bestimmten Verformungszustand der Drahtbündel oder -folien. Mithilfe künstlicher Intelligenz ist unser System nun in der Lage, die genaue Position jederzeit effizient und präzise zu erkennen, selbst bei Störungen“, erklärt Professor Motzki.

Hintergrund:
Formgedächtnistechnologie.
Das Team, das an der Universität des Saarlandes und dem Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) in Saarbrücken intelligente Materialien erforscht, wurde von Professor Stefan Seelecke gegründet. In Zusammenarbeit mit Professor Paul Motzki hat die Forschung auf diesem Gebiet in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen. Das Forschungsteam nutzt Formgedächtnistechnologie für ein breites Anwendungsspektrum, von Roboter-Greifern bis hin zu energieeffizienten Ventilen und Pumpen. Die Technologie wird in zahlreichen Bachelor-, Master- und Promotionsprojekten untersucht. Viele Ergebnisse wurden in hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht, und zahlreiche Artikel haben internationale Anerkennung gefunden. Die Forschung wurde maßgeblich von der EU und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Die Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki gründeten kürzlich die Internationale Elastokalorische Gesellschaft. Die in Saarbrücken ansässige internationale wissenschaftliche Gesellschaft hat sich zum Ziel gesetzt, die Forschungsgemeinschaft in diesem aufstrebenden Gebiet zusammenzubringen und sich mit Industrie und Unternehmen zu vernetzen, um die zukünftige Kommerzialisierung der elastokalorischen Technologie voranzutreiben. Die zweite Internationale Elastokalorische Konferenz findet vom 13. bis 15. Mai 2025 in Saarbrücken statt. In den Folgejahren wird die Konferenz jährlich in einem anderen Land ausgerichtet.