Kühlen mit Gedächtnismetall

In nahezu jedem Kühlschrank wird Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf komprimiert und entlastet. Dabei wechselt es seinen Aggregatzustand zwischen flüssig und gasförmig. Vor einem Jahr schlug ein Forscherteam eine alternative Kühltechnik ohne flüssiges Kältemittel, aber dafür mit einem zyklisch verformbaren Gedächtnismetall vor. Nach detaillierten Berechnungen gelang es der Gruppe nun, den Prototyp einer Wärmepumpe herzustellen, die nah an die vorhergesagte hohe Effizienz heranreicht. Ihr Modul, das die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ präsentieren, legt damit die Grundlage für eine sowohl günstige und langlebige als auch sehr sparsame Kühltechnik.

„Dank des elastokalorischen Effekts erzielten wir mit einem Kreisprozess herausragende Ergebnisse“, schreiben Janez Tušek und seine Kollegen von Dänemarks Technischer Universität in Roskilde. Elastokalorisch bedeutet, dass die Verformung eines Materials eine Temperaturänderung verursacht. Für ihren Prototyp wählten die Forscher ein Gedächtnismetall aus einer Nickel-Titan-Legierung. Einige jeweils nur ein fünftel Millimeter dünne Streifen aus diesem Material spannten sie in eine Vorrichtung ein, um diese regelmäßig einige Male pro Minute um bis zu vier Prozent zu dehnen und wieder zu entlasten.

Prototyp der neuartigen Wärmepumpe

Bei dieser zyklischen Verformung wechselt die Kristallstruktur des Gedächtnismetalls zwischen einer kubischen Austenitstruktur und einer metastabilen Martensitstruktur. Verlor das kristalline Material seine kubische Austenitstruktur, heizt es sich ein wenig auf. Umgekehrt kühlt es sich wieder ab, wenn es ohne äußere Anspannung wieder seine Ursprungsform annimmt. Nach einiger Zeit konnten die Forscher an den Enden der Metallstreifen eine Temperaturdifferenz von etwas mehr als 15 Grad messen. Diese beiden Bereiche – einmal etwa 35 Grad Celsius warm, einmal 18 Grad Celsius kühl – verknüpften sie mit kleinen Kanälen, durch die in einem Kreislauf eine Flüssigkeit erwärmt und wieder abgekühlt werden kann. So wirkt dieser Prototyp wie eine effiziente Wärmepumpe mit einer Leistung von bis zu 800 Watt pro Kilogramm Gedächtnismetall.

Als Aggregat für einen Kühlschrank lässt sich diese Wärmepumpe bisher noch nicht einsetzen. Doch mit anderen Nickel-Titan-Legierungen könnte der Temperaturbereich angepasst werden, um eine Flüssigkeit von Raumtemperatur auf etwa fünf Grad Celsius abzukühlen. Diese Kälte ließe sich über einen Wärmetauscher auf das Innere eines Kühlschranks übertragen. Andere Experimente zeigten bereits, dass dünne Streifen aus Gedächtnismetall sogar viele Millionen Verformungen unbeschadet überstehen können. Damit wären Kühlmodule möglich, die mehrere Jahre zuverlässig funktionieren. Der Strombedarf für die mechanischen Verformungen – etwa mit kleinen Elektromotoren – läge gemäß der theoretischen Abschätzungen der Forscher deutlich unter dem, der für die Verdampfung und Verflüssigung eines Kältemittels in konventionellen Kühlschränken nötig ist.