Da diese Legierungen bei Verformung Wärme absorbieren und abgeben, sind sie grundlegend für eine weitere Schlüsselentwicklung des Teams: die elastokalorische Kühlung und Heizung – eine klimafreundliche und energieeffiziente Alternative zu herkömmlichen Systemen.
Der zweite intelligente Materialtyp, den Motzki und sein Team erforschen, ist eine dünne, hochflexible Silikonfolie mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Durch Anpassen der angelegten elektrischen Spannung können diese Polymerfolien vielfältige Bewegungen ausführen – vibrieren, tippen, drücken oder ziehen – und eignen sich daher ideal für die Herstellung leichter, energiesparender Mini-Motoren. Paul Motzkis Team nutzt diese Polymeraktoren zur Entwicklung innovativer Pumpen und Ventile. Sie werden auch auf Textilien angewendet, um tragbare, reaktionsschnelle Schnittstellen zu schaffen, die als haptische Brücke zwischen Körper und digitalen Systemen fungieren. Die Folien können zudem in Smartphone-Bildschirmen eingesetzt werden, um dynamische Tasten und haptisches Feedback zu erzeugen.

Paul Motzki gilt als Pionier auf diesem Gebiet und kombiniert nun als Weltneuheit zwei Technologien – Formgedächtnislegierungen und dielektrische Elastomeraktoren –, um einen bedeutenden Fortschritt im aufstrebenden Feld der elastokalorischen Kühlung zu erzielen. Der Europäische Forschungsrat (ERC), Europas größter Förderer zukunftsweisender Forschung, unterstützt diese Pionierarbeit mit einer ersten ERC-Förderung von rund 1,5 Millionen Euro über fünf Jahre.

Beide Technologien bieten entscheidende Vorteile: Sie sind leicht und energieeffizient und ebenso umweltfreundlich wie der Strom, der sie antreibt. Aufgrund ihrer Fähigkeit, auf kleinstem Raum beträchtliche Kräfte zu erzeugen, werden sie oft als „künstliche Muskeln“ bezeichnet. Motzkis Ziel ist es, diese künstlichen Muskeln mit Mini-Motoren aus intelligenten Materialien zu kombinieren, um extrem flache, kompakte und leichte Kühlgeräte zu entwickeln, die sich dadurch problemlos in andere Systeme integrieren lassen.

Motzki arbeitet außerdem im Rahmen eines weiteren EU-geförderten Projekts an der Markteinführung der elastokalorischen Technologie. 2024 gewann er mit seinem Team als Teil eines europäischen Konsortiums die renommierte EIC Pathfinder Challenge des Europäischen Innovationsrats und erhielt dafür vier Millionen Euro Fördermittel. Aktuell entwickeln er und seine Konsortiumspartner einen Prototyp für eine Klimaanlage für Wohnhäuser, die auf elastokalorischen Prinzipien basiert. Der EIC Pathfinder Award würdigt „neue, visionäre und radikale Technologien, die das Potenzial haben, notwendige gesellschaftliche Transformationen zu ermöglichen, globale Herausforderungen anzugehen und neue Märkte zu erschließen“. Motzki, der neben seiner Professur an der Universität des Saarlandes auch wissenschaftlicher Direktor und Geschäftsführer des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik in Saarbrücken ist, erklärt den Unterschied zwischen den beiden Auszeichnungen: „Der EIC Pathfinder konzentriert sich auf die schnelle Umsetzung von Forschungsergebnissen in die Praxis, während der ERC Starting Grant die Grundlagenforschung zur Erweiterung der wissenschaftlichen Basis der elastokalorischen Technologie fördert.“

Es ist eine seltene Leistung, dass ein Forscher sowohl den EIC Pathfinder Grant als auch den ERC Starting Grant der EU erhält. Die zusätzliche EU-Förderung für Motzkis Forschung zur Verwendung von Formgedächtnislegierungen in intelligenten medizinischen Implantaten erfolgt über das 21 Millionen Euro teure Horizon-Europe-Projekt „SmiLE – Intelligente Implantate zur Verbesserung des Lebens“, an dem 25 führende Institutionen aus 12 europäischen Ländern beteiligt sind.

Hintergrund:
Elastokalorische
Kühlung. Die elastokalorische Kühlung ist eine neuartige, klimafreundliche und energieeffiziente Technologie, die ohne schädliche Kältemittel oder fossile Brennstoffe auskommt. Motzki und sein Doktorvater Stefan Seelecke entwickeln diese Technologie seit Jahren an der Universität des Saarlandes und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik in Saarbrücken im Rahmen mehrerer millionenschwerer Forschungsprojekte. Die Europäische Kommission hat die elastokalorische Kühlung als vielversprechendste Alternative zu konventionellen Methoden identifiziert, und das Weltwirtschaftsforum zählte sie zu den „Top Ten Emerging Technologies“ für 2024. Das Team aus Saarbrücken hat bereits einen Prototyp eines Minikühlschranks gebaut und entwickelt derzeit Systeme zur Fahrzeugkühlung.
Die elastokalorische Kühlung funktioniert durch das wiederholte Dehnen und Entspannen von Nickel-Titan-Drähten oder -Platten. Dadurch kann Wärme in einem Bereich aufgenommen und in einem anderen abgegeben werden. Ob zum Kühlen oder Heizen eingesetzt, das System kann Temperaturdifferenzen von rund 20 °C erreichen. „Dies gilt für ein einstufiges Bauteil“, erklärt Motzki. „Wenn wir mehrstufige Systeme bauen, können wir wesentlich größere Temperaturunterschiede erzielen.“

Die Grundlage aller in Saarbrücken entwickelten elastokalorischen Prototypen bildet eine ungewöhnliche Eigenschaft der Nickel-Titan-Legierung: das Formgedächtnis. Wasser kann bekanntlich in drei Aggregatzuständen oder „Phasen“ existieren: fest (Eis), flüssig (Wasser) und gasförmig (Wasserdampf). Die Nickel-Titan-Legierung weist zwei Phasen auf. Obwohl beide Phasen fest sind, unterscheiden sich ihre Kristallgitterstrukturen geringfügig. Der Begriff „Formgedächtnis“ beschreibt die Fähigkeit von Nickel-Titan, durch eine reversible Phasenumwandlung in einen vorherigen Zustand (Kristallgitterstruktur) zurückzukehren. Bei der Phasenumwandlung absorbieren Drähte oder Bleche aus der Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung Wärme; bei der erneuten Phasenumwandlung gibt das Material die Wärme an die Umgebung ab. Die Luft oder Flüssigkeit, die während des Phasenwechsels über die Nickel-Titan-Legierung strömt, kühlt sich ab oder erwärmt sich. Dieser Effekt lässt sich beispielsweise in Heiz- oder Kühlsystemen nutzen. „Je nach Anwendung verwenden wir SMA-Drähte oder dünne Bleche oder wir fertigen 3D-gedruckte Bauteile mit komplexen Geometrien“, erklärt Motzki.

Forscher in Saarbrücken entwickeln praktische Kühl- und Heizsysteme. Dazu konstruieren sie Prototypen mit intelligenter Mechanik, die Formgedächtniskomponenten zyklisch be- und entladen. Grundlage dieser Entwicklungsarbeit bildeten zahlreiche Forschungsprojekte, die untersuchten, wie kompakte Antriebssysteme Formgedächtnisfolien oder -drähte in ständiger Bewegung halten können.

Die derzeit in Entwicklung befindlichen Prototypen werden dielektrische Elastomerfolien als ultrakompakte Motoren nutzen. „Wir verwenden diese dielektrischen Elastomere, um neuartige Antriebssysteme zu entwickeln, die keine zusätzlichen Sensoren benötigen“, erklärt Paul Motzki. Die Folien sind beidseitig mit einer hochflexiblen, elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet, wodurch sie auf Spannungsänderungen reagieren und präzise, ​​energieeffiziente Bewegungen ausführen können. Wird an die Polymerfolie eine elektrische Spannung angelegt, ziehen sich die leitfähigen Schichten gegenseitig an, komprimieren das Polymer und dehnen es seitlich aus, wodurch sich seine Oberfläche vergrößert. „Durch Variation des angelegten elektrischen Feldes können wir die Bewegung der Folie sehr präzise steuern und sie stufenlos biegen oder mit einer gewünschten Frequenz oder Amplitude vibrieren lassen. Im Wesentlichen entwickeln wir einen ultraleichten, aber dennoch effizienten und energiesparenden Motor“, so Motzki.

Sowohl dielektrische Folien als auch Formgedächtniskabel liefern durch Änderungen ihrer Kapazität oder ihres elektrischen Widerstands Informationen und machen externe Sensoren somit überflüssig. „Wir können diese Messwerte nutzen, um die Verformung der Folie oder der Kabel zu bestimmen. Unsere Technologie ist im Prinzip selbstüberwachend, da sie über integrierte Positionssensoren verfügt“, fügt er hinzu. „Mithilfe künstlicher Intelligenz ordnen wir diese elektrischen Messungen spezifischen Bewegungsabläufen zu und können so die Bewegung unserer Aktuatoren, Antriebe oder Motoren präzise steuern.“

Horizon Europe
ist das neunte Forschungsrahmenprogramm der EU und die weltweit größte Einzelinitiative zur Förderung von Forschung und Innovation. Ziel ist es, eine wissensbasierte und innovationsgetriebene Gesellschaft zu fördern und eine wettbewerbsfähige Wirtschaft aufzubauen, während gleichzeitig eine nachhaltige Entwicklung unterstützt wird.
ERC Starter Grants werden vom Europäischen Forschungsrat (ERC) vergeben, um Nachwuchswissenschaftler:innen zu unterstützen, die vielversprechende Ansätze in der Grundlagenforschung verfolgen.

Professor Paul Motzki
ist Professor für Intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes und Wissenschaftlicher Direktor des Saarbrückener Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA), wo er den Forschungsbereich Intelligente Materialsysteme leitet.

Er studierte Mechatronik an der Universität des Saarlandes und promovierte dort 2018 mit einer Arbeit über thermische Formgedächtnislegierungen. 2016 übernahm er die Leitung der Forschungsgruppe Sensoren und Aktoren am ZeMA. Nach seiner Promotion 2018 konnte er seine Forschungsgruppe am ZeMA weiter ausbauen, woraus der Forschungsbereich Intelligente Materialsysteme entstand. 2022 wurde Paul Motzki zum außerordentlichen Professor an der Universität des Saarlandes (Fachbereich Systemtechnik) und am ZeMA im Bereich Intelligente Materialsysteme für Innovative Produktion (SMiP) ernannt. Seit 2023 ist Motzki Vorsitzender des VDI/VDE-Fachausschusses GMA 2.16: Intelligente Materialien und Systeme. Er ist außerdem Vorstandsmitglied des smart3-Netzwerks, Direktor des SMST-Vorstands bei ASM International, Mitglied des ASME SMASIS Senats und Mitbegründer der International Elastocalorics Society (IES).