他们与由迪尔克·巴赫雷教授领导的3D打印专家团队合作，正在开发用于冷却元件的新型节能几何结构。这些闪闪发光的立方体，每个都拥有引人注目的几何形状，很容易被误认为是优雅的装饰品。然而，对于研究这些3D打印结构的科研人员来说，它们的吸引力在于其功能性而非美观性。迪尔克·巴赫雷教授团队的制造工程师和由保罗·莫茨基教授领导的智能材料专家团队，都对这些金属结构在萨尔布吕肯正在开发的创新型冷却和加热系统中的性能表现非常感兴趣。 “这是弹热技术发展的下一个阶段。我们目前对这些新结构的研究仍处于基础研究阶段，但我们已经在考虑它们的实际应用，并为实际应用开发解决方案，” 保罗·莫茨基解释道。这些新型冷却和加热元件的独特几何形状旨在通过最大化热能交换的表面积来提高传热效率。

与使用会破坏气候的制冷剂进行制冷或使用石油、天然气等化石燃料进行供暖不同，弹热系统采用由形状记忆镍钛合金制成的部件。目前，萨尔兰大学保罗·莫茨基（Paul Motzki）的团队一直在研究由这种合金制成的超细线束和薄片的弹热特性。这些部件在拉伸或压缩时会释放热量，而在机械载荷移除时则会吸收热量。萨尔布吕肯的工程师们正在利用弹热效应将热量从一个地方传递到另一个地方，例如，从制冷室中提取热量。萨尔兰大学和萨尔布吕肯机电一体化与自动化技术中心（ZeMA）的研究团队已经对弹热效应进行了超过15年的研究，其长期目标是以环保节能的方式为汽车、建筑物和工业设施进行制冷和供暖。在今年的汉诺威工业博览会上，该团队展示了他们的技术已经超越了基础研究阶段，并且正在朝着实际应用的方向稳步前进。

令人振奋的新材料：
全球制冷和供暖消耗大量能源，随着气候变化，需求还将持续增长。与传统的制冷和供暖方式不同，弹热技术有望显著提高效率。弹热系统完全依靠电力运行，其清洁程度与供电电力相当。欧盟委员会已将弹热制冷认定为最有前景的传统制冷技术替代方案，世界经济论坛也将其列入“十大新兴技术”之列。该技术基于镍钛合金的特殊性能。镍钛合金是一种特殊的合金，其形变后的行为与传统金属截然不同。

镍钛合金是一种“形状记忆合金”，这意味着该材料可以变形，然后由于两种固态晶体结构之间的可逆相变而恢复到原始形状。这种相变伴随着热传递。 “在室温下，这种合金处于高温相。当我们对材料施加拉伸或压缩应力时，会迫使它进入低温相。这是一个放热过程，材料会升温并向周围环境释放热量。一旦材料冷却回室温，我们就释放机械应力。这使得合金能够恢复到高温相，由于这是一个吸热过程，材料会冷却下来，”保罗·莫茨基解释道。简而言之：当镍钛合金丝被拉伸时，它会向周围的空气或液体释放热量；当应力消除时，它会冷却并从环境中吸收热量。这种反复拉伸和卸载机械变形的循环是这项新技术的核心原理。由于材料本身具有固有的传感特性，因此无需额外的传感器。 “每根导线的变形都对应着一个特定的电阻值。因此，电阻测量可以准确地告诉我们材料在任何给定时刻的变形情况。” “这意味着，实际上，位置传感器被集成在了器件中，”莫茨基解释道。
萨尔布吕肯的研究人员旨在通过最大化表面积来最大化热传递。表面积越大，热量就能越有效地传递到工作介质——空气或水。目前，该团队通过创建包含许多超薄形状记忆线束的结构来增加表面积。在下一代器件中，冷却和加热元件将通过引入多孔镍钛几何结构来提供更大的接触面积。为了实现这一目标，保罗·莫茨基的研究小组正与德克·巴赫雷的团队合作，开发一种复杂的镍钛结构，热传递介质（空气或水）可以在其中流动。研究人员正在改进和优化这些精细合金晶格的设计。他们正在对各种复杂的几何形状进行实验测试，以确定哪些结构能够产生最高效的热传递。这些三维合金结构是使用3D打印机通过增材制造技术逐层制造的。

为实际应用做好准备
在实验和实验室测试持续进行的同时，莫茨基和他的团队也在努力将新兴的弹热制冷技术应用于实际场景。未来弹热制冷系统所使用的材料必须适用于冰箱和制冷设备的连续运行。“我们致力于开发足够坚固耐用、易于维护的材料和设计，以满足连续使用的需求。从一开始，我们就将未来潜在应用的问题融入到研发过程中；这是我们研究的基本原则，也影响着我们学位课程的设置，例如系统与材料工程和可持续工程，”保罗·莫茨基说道。他和德克·巴赫一样，都让众多博士研究生和本科生参与到这项工作中。

目前正在通过实验解决的问题之一是如何使材料承受机械应力，从而确保其拥有较长的使用寿命。这涉及到调整合金的性能，使其适应拉伸和压缩循环。 “例如，在使用线束的设计中，我们的目标是实现超过一百万次的循环寿命，” 保罗·莫茨基说道。然而，即使是最好的材料，最终也会疲劳失效。 “因此，我们也在开发一种简单快捷的更换方案。我们正在设计相关的组件，使其能够轻松更换，因为易于维护是决定这项新技术能否转化为可靠的日常应用的关键因素，”莫茨基解释道。

目前弹热学领域的资助和项目：
德国联邦研究、技术和空间部正在其“T!Raum”计划下资助“DEPART!Saar”项目，资助金额高达1800万欧元。该项目的目标是通过发展区域创新和转移机制，加速弹热学技术向实际应用领域的转化，从而增强萨尔州的经济实力。在由德国联邦经济和能源部资助的SmartCool项目中，萨尔布吕肯的工程师们正与大众汽车公司、弗劳恩霍夫IPM研究所和Ingpuls公司合作，开发用于电动汽车的轻量化、高能效冷却系统。在另一个研究项目中，该团队正与欧洲合作伙伴合作，开发一种可用于住宅建筑中单个房间制冷和供暖的弹热学空调系统。由Paul Motzki领导的项目联盟将获得欧洲创新理事会“EIC Pathfinder Challenge”计划提供的总计400万欧元的资助。在欧洲研究理事会 (ERC) 启动基金的额外资助下，保罗·莫茨基 (Paul Motzki) 和他的团队正在推进弹热技术的发展，他们首次将形状记忆材料和智能薄膜致动器相结合。介电弹性体是保罗·莫茨基在智能材料领域的第二个公认专家领域。