DER KONSTRUKTEUR 6/2016

SERIE
Ingenieure entwickeln den
Kühlschrank der Zukunft
Wie kann in Zukunft klimafreundlich und ressourcenschonend
gekühlt werden? Vielleicht mit künstlichen Muskeln aus Nickel-Titan,
die Wärme und Kälte transportieren?
Eine umweltfreundlichere Kühlmethode entwickeln die Forscherteams
der Ingenieurwissenschaftler Stefan Seelecke und
Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes gemeinsam
mit Werkstoffwissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum. Ihr
Verfahren kommt ohne klimaschädigende Kühl- oder Kältemittel
aus und soll auch weniger Energie verbrauchen als bislang übliche
Kühltechniken. „Wir setzen Systeme mit Formgedächtnis-Legierungen
ein, um Wärme abzutransportieren“, erklärt Stefan Seelecke,
Professor für Intelligente Materialsysteme. „Formgedächtnis
Formgedächtnis-Material ist Grundlage
eines neuartigen Kühlverfahrens
bedeutet, dass Drähte oder Bleche aus der Legierung Nickel-
Titan gewissermaßen ein Erinnerungsvermögen haben: Werden
sie verformt, nehmen sie anschließend die alte Form wieder an.
Hierdurch können sie wie Muskeln an- und entspannen. Den
Effekt, dass sie dabei Wärme aufnehmen und wieder abgeben,
nutzen wir zum Kühlen“, erklärt Seelecke.
Wird ein Nickel-Titan-Draht oder -Blech verformt oder gezogen,
verändert sich die Gitterstruktur im Inneren des Metalls und es
entstehen Spannungen. Diese so genannten Phasenumwandlungen
erwärmen das Material. Wird das Metall nach dem Ausgleich
mit der Umgebungstemperatur anschließend wieder entlastet,
lösen sich die Spannungen und es kühlt stark ab: etwa
20 °C unter dem Umgebungsniveau.
„Die Grundidee war, einem Raum – etwa dem Inneren eines Kühlschranks
– Wärme zu entziehen, indem wir dort ein vorgedehntes
superelastisches Formgedächtnis-Material entlasten und dabei
stark abkühlen. Die so aufgenommene Wärme geben wir außerhalb
des Kühlschrankes an die Umgebung ab, indem wir das Material
dort zur Temperaturerhöhung wieder belasten, bevor der Kreisprozess
aufs Neue beginnt“, erläutert Seelecke.
In den bisherigen Versuchsreihen und Simulationsmodellen
haben die Wissenschaftler nachgewiesen, dass ein solches Kühlverfahren
funktioniert und in der Praxis eingesetzt werden kann.
Anhand eines Modellsystems erforschten sie, wie der Kühlmechanismus
am effizientesten abläuft und untersuchten u. a. wie stark
das Material gezogen oder gebogen werden muss, um eine bestimmte
Kühlleistung zu erreichen, oder ob der Prozess langsam
oder schnell effektiver ist.
Zur Zeit wird, aufbauend auf diesen Ergebnissen, ein optimierter
Prototyp zur Luftkühlung gebaut. Bei ihm wird ein Kühlkreislauf hergestellt:
Die warme Luft wird auf der einen Seite an einem rotierenden
Bündel von Formgedächtnis-Drähten vorbeigeleitet. Indem mehrere
Drähte verwendet werden, wird eine höhere Kühlleistung erzielt. Das
Bündel wird belastet,
wird dabei wärmer, dreht
sich, wird auf der anderen
Seite entlastet und
kühlt ab. Die zu kühlende
Luft wird dort dann
vorbeige leitet, um so
einen angrenzenden
Raum zu kühlen.
Wie dies optimal abläuft,
daran feilen die Ingenieure
aktuell. Um den
Prozess noch weiter zu
optimieren, werden alle
Abläufe modelliert und
die Modelle durch Vergleich
mit Experimenten
weiter verfeinert.
Bild: Oliver Dietze
www.uni-saarland.de
50 Der Konstrukteur 6/2016