Исследовательская группа под руководством профессоров Штефана Зеелеке и Пауля Моцки из Саарландского университета в настоящее время разрабатывает прототипы систем для использования в транспортных средствах. Цель — добиться коммерциализации в течение пяти лет.

Согласно физике, холод — это просто отсутствие тепла. Чтобы охладить что-либо, нужно отвести тепло; чтобы нагреть — нужно добавить тепло. Довольно простая идея, которую исследователи из Саарбрюккена смогли реализовать особенно инновационным способом. Команда использует особое свойство никель-титанового сплава с «памятью формы» («нитинол» или «Ni-Ti»). Короче говоря, многократно растягивая пучки сверхтонких нитиноловых проволок или листов, а затем давая им расслабиться, тепло может поглощаться в одном месте и рассеиваться в другом. Основываясь на этом элементарном принципе, исследовательская группа под руководством Стефана Зеелеке и Пауля Моцки из Саарландского университета и Центра мехатроники и автоматизации (ZeMA) в Саарбрюкене разрабатывает свою новую технологию кондиционирования воздуха в рамках новаторских исследовательских проектов, получивших многомиллионное финансирование.

Эластокалорическая технология признана Европейской комиссией одной из наиболее перспективных альтернатив традиционным системам отопления и охлаждения. Всемирный экономический форум включил эластокалорический процесс в свой список «Десяти лучших перспективных технологий» в 2024 году. По сравнению с традиционными технологиями охлаждения, которые потребляют большое количество энергии и могут загрязнять окружающую среду хладагентами и парниковыми газами, наносящими ущерб климату, технология, разрабатываемая в Саарбрюкене, более энергоэффективна и так же экологична, как и используемая для ее работы электроэнергия. Эластокалорические системы исключают использование вредных для окружающей среды хладагентов и ископаемого топлива. Область эластокалории, в которой Стефан Зеелеке и Пол Моцки являются одними из пионеров, имеет потенциал сыграть значительную роль в борьбе с глобальным энергетическим кризисом. По данным Федерального агентства по охране окружающей среды Германии, конечное потребление энергии (т.е., общее количество энергии, потребляемой конечными потребителями) для отопления и охлаждения составляет чуть более половины общего конечного потребления энергии в Германии. Кроме того, Международное энергетическое агентство (МЭА) сообщает, что на охлаждение помещений в настоящее время приходится 12 процентов от общего мирового спроса на энергию. «Прогнозы указывают на то, что к 2050 году эта цифра может утроиться», — говорит Пол Моцки, профессор интеллектуальных материальных систем для инновационного производства в Саарландском университете, главный научный сотрудник и генеральный директор ZeMA.

Эластокалорические технологии начинают переходить в стадию зрелости. Исследователи стремятся воплотить свои открытия в практические промышленные и коммерческие решения. Для облегчения передачи знаний правительство Германии инвестирует более 17 миллионов евро в течение девяти лет в проект DEPART!Saar, целью которого является установление связей между исследователями из Саарланда и научно-исследовательскими учреждениями и промышленными партнерами.

В другом недавно запущенном проекте команда из Саарбрюккена сотрудничает с Volkswagen AG, Институтом физических измерений им. Фраунгофера (IPM) во Фрайбурге и компанией Ingpuls GmbH в Бохуме. Цель проекта — использовать эластокалорическую технологию для разработки легкой, энергоэффективной системы кондиционирования воздуха для электромобилей и средства охлаждения тяговых батарей в электромобилях. «Проект получил финансирование в размере 3,5 миллиона евро от Федерального министерства экономики и климата Германии, и в настоящее время мы разрабатываем первые прототипы», — объясняет Пол Моцки.

В рамках еще одного нового исследовательского проекта команда работает над эластокалорической системой кондиционирования воздуха, которая может использоваться для охлаждения и обогрева отдельных комнат в жилом здании через вентиляционные отверстия во внешних стенах. В прошлом году Пол Моцки и его команда входили в европейский консорциум, который выиграл престижный конкурс EIC Pathfinder Challenge Европейского инновационного совета (EIC) с призовым фондом в 4 миллиона евро. Эта награда присуждается «новаторским и принципиально новым технологиям, которые потенциально могут способствовать необходимым социальным преобразованиям, решать глобальные проблемы и создавать новые рынки». В течение следующих трех лет в SMACool, партнерами которой являются Люблянский университет, Неаполитанский университет имени Федерико II и ирландская компания exergyn, будет разработан прототип системы кондиционирования воздуха. «Эластокалорическая система действует как охладитель и тепловой насос. Обладая эффективностью в три-пять раз большей, чем у традиционной системы, наша технология потребляет значительно меньше электроэнергии для работы», — говорит профессор Моцки, ведущий научный сотрудник проекта.

Независимо от того, используется ли система для охлаждения или нагрева, оборудование способно достигать разницы температур около 20 °C. «Это относится к одноступенчатому компоненту», — объясняет Моцки. «Если мы создадим многоступенчатые системы, мы сможем достичь гораздо большей разницы температур». В основе всех эластокалорических прототипов, разрабатываемых в Саарбрюкене, лежит необычное свойство «памяти формы» никель-титанового сплава. Никель-титан имеет две кристаллические решетки, то есть две кристаллографические фазы с немного различающимися физическими размерами. Термин «сплав с памятью формы» (SMA) используется для описания способности материала возвращаться в предыдущее состояние (структуру кристаллической решетки) посредством обратимого фазового превращения. Всем известно, что вода может существовать в трех физических состояниях или «фазах»: твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (водяной пар). Но в отличие от воды, фазы никель-титана находятся в твердом состоянии. Когда одна фаза переходит в другую, проволоки или листы из сплава с памятью формы поглощают тепло; Когда эта фаза снова трансформируется, материал рассеивает тепло в окружающую среду. Таким образом, воздух, обтекающий никель-титановый сплав во время фазового перехода, будет охлаждаться или нагреваться, и этот эффект можно использовать, например, для обогрева или охлаждения помещений внутри зданий. «В зависимости от конкретного применения мы используем проволоки из сплавов с памятью формы, тонкие листы или даже компоненты, напечатанные на 3D-принтере, со сложной геометрией», — объясняет Моцки.

Хотя основной принцип кажется достаточно простым, создание практичной системы охлаждения и нагрева из этих материалов требует оригинальных технических инноваций. Специалисты из Саарбрюккена создали тщательно разработанные прототипы, способные работать непрерывно. Они сконструировали демонстрационные модели, способные непрерывно вызывать фазовые превращения в металлических листах или проволоках, чтобы тепло передавалось в среду, такую ​​как воздух, вода или водно-гликолевая смесь, протекающая над материалом с эффектом памяти формы, или от нее. Перед командой стоят вопросы о том, как лучше всего прикладывать механические нагрузки к никель-титановому сплаву для достижения желаемого эффекта охлаждения или нагрева, как повысить эффективность процесса, как оптимизировать потоки жидкости и какая форма листа или пучка проволоки лучше всего подходит для конкретного применения. Исследователи также разработали программное обеспечение, позволяющее точно настраивать технологию нагрева и охлаждения для различных применений, а также моделировать и планировать системы охлаждения. «Мы хотим использовать инновационный потенциал эластокалорических материалов в широком спектре применений, от бытовой техники до промышленных систем охлаждения», — говорит Пол Моцки. Команда из Саарбрюккена сотрудничает с другими экспертами в этой области, такими как Ingpuls GmbH, чтобы изучить весь жизненный цикл продукта, от сырья до производства компонентов и утилизации по окончании срока службы.

Технология из Саарбрюккена — результат более чем 15-летних исследований в рамках многомиллионных европроектов и докторских диссертаций, удостоенных ряда международных наград. Среди результатов — первая в мире демонстрационная модель непрерывного эластокалорического эффекта «воздух-воздух» и первый в мире эластокалорический мини-холодильник.

Эластокалорический холодильник оснащен запатентованной, специально разработанной кулачковой направляющей, которая непрерывно вращает пучки нитиноловых проволок толщиной 200 микрон вокруг круглой охлаждающей камеры. Вращаясь вокруг круглой направляющей, пучки проволок натягиваются (то есть, подвергаются натяжению) с одной стороны круга и снова расслабляются с другой. Воздух проходит через вращающиеся пучки в охлаждающую камеру, где проволоки снова расслабляются (то есть, подвергаются упругому восстановлению), отводя тепло из воздуха. Продолжая вращение, нагретые нитиноловые проволоки выносят поглощенное ими тепло из охлаждающей камеры. Оказавшись вне охлаждающей камеры, они передают это тепло в окружающую среду. «Внутри охлаждающей камеры воздух контактирует только с ненагруженными (ненапряженными) проволоками. С помощью этого прототипа мы можем достичь температуры около 15 градусов Цельсия», — говорит Пол Моцки.

«Еще одним важным аспектом нашей технологии является ее самодиагностика. Каждое значение электрического сопротивления соответствует определенному состоянию деформации пучков проводов или листов. Благодаря использованию искусственного интеллекта наша система теперь способна эффективно и точно определять точное положение в любое время, даже в случае помех», — объясняет профессор Моцки.

История создания:
Технология памяти формы.
Команда исследователей интеллектуальных материалов в Саарландском университете и Центре мехатроники и автоматизации (ZeMA) в Саарбрюкене была основана профессором Штефаном Зеелеке. В сотрудничестве с профессором Паулем Моцки исследования в этой области значительно расширились за последние годы. Исследовательская группа использует технологию памяти формы для широкого спектра применений, от роботизированных захватов до энергоэффективных клапанов и насосов. Технология изучается в рамках многочисленных исследовательских проектов студентов, аспирантов и докторантов. Многие результаты были широко опубликованы в высокорейтинговых научных журналах, а многочисленные статьи получили международное признание. Исследования получили значительное финансирование от ЕС и Немецкого фонда исследований (DFG).

Профессора Стефан Зеелеке и Пол Моцки недавно основали Международное эластокалорическое общество. Это международное научное общество, базирующееся в Саарбрюкене, стремится объединить исследовательское сообщество в этой развивающейся области и наладить связи с промышленностью и компаниями с целью будущей коммерциализации эластокалорических технологий. Вторая Международная эластокалорическая конференция состоится в Саарбрюкене с 13 по 15 мая 2025 года. В последующие годы конференция будет ежегодно проводиться в другой стране.