Karlsruher Forscher machen aus Abwärme Kälte – und wollen damit Strom fürs Kühlen sparen

Computer, Motoren und Industrieanlagen produzieren ständig Wärme – und anschließend wird viel Energie aufgewendet, um sie wieder loszuwerden. Karlsruher Forscher drehen dieses Prinzip nun um: Sie nutzen Wärme selbst als Antrieb für die Kühlung. Beim Kühlen mit Wärme setzt eine erhitzte Metallfolie eine zweite Folie in Bewegung, die sich beim Entlasten abkühlt. Künftig könnte so ausgerechnet Abwärme helfen, Elektronik zu kühlen und den Strombedarf dafür zu senken.

Entwickelt wurde das System am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit der Universität Tsukuba in Japan. Die Forscher koppeln dafür zwei hauchdünne Formgedächtnisfolien miteinander. Die erste zieht sich beim Erwärmen zusammen und erzeugt dadurch mechanische Kraft. Diese Kraft spannt die zweite Folie. Lässt die Spannung wieder nach, verändert sich ihre Kristallstruktur – und sie kühlt ab. Ein klassischer Kompressor mit Kältemittel ist dafür nicht nötig.

Kühlen mit Wärme nutzt einen ungewöhnlichen Materialeffekt

Hinter dem Prinzip steckt Nickel-Titan. Die erste Folie ist nur 22 Mikrometer dick und besitzt einen Formgedächtniseffekt. Wird sie ausreichend erwärmt, verändert sich ihre Kristallstruktur. Dabei versucht das Material, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Die Folie zieht sich zusammen und erzeugt mechanische Kraft. Diese Kraft überträgt ein Kunststoffelement auf eine zweite, 26,5 Mikrometer dünne Folie aus Nickel, Titan und Eisen.

Diese zweite Folie übernimmt die eigentliche Kühlung. Beim Dehnen verändert sich ebenfalls ihre innere Kristallstruktur und sie gibt Wärme ab. Anschließend kann die Wärme an einen Wärmetauscher abgeführt werden. Wird die Folie wieder entlastet, läuft die Umwandlung rückwärts. Das Material kühlt unter die Umgebungstemperatur ab und kann Wärme aus dem Bereich aufnehmen, der gekühlt werden soll.

Eine heiße Folie setzt die Kühlung direkt in Gang

„Die entscheidende Innovation besteht darin, dass wir zwei komplementäre Funktionen von Formgedächtnislegierungen kombinieren“, erklärt Studienautorin Jingyuan Xu vom KIT. Eine Folie wandle Wärme in mechanische Arbeit um, die andere diese Arbeit wiederum in Kälte. Dadurch lasse sich Wärme als Energiequelle für eine Festkörperkühlung einsetzen.

Im Labor prüfte das Team zunächst einen Aufbau, bei dem die erste Folie elektrisch auf durchschnittlich 86 Grad Celsius erwärmt wurde. Die Kühlfolie erreichte dabei auf Materialebene eine Temperaturspanne von 12,9 Kelvin. Im gesamten Bauteil waren es 4,0 Kelvin. Die gemessene Kühlleistung lag bei 2,79 Milliwatt. Der Prototyp lief mit 0,83 Zyklen pro Sekunde.

Abwärme ersetzt den elektrischen Heizimpuls

Für den entscheidenden Versuch ersetzten die Forscher die elektrische Erwärmung durch eine externe Wärmequelle. Diese hatte eine Temperatur von 130 Grad Celsius und erwärmte die Formgedächtnisfolie durch direkten Kontakt. Nach 20 Arbeitszyklen stellte sich im System eine stabile Temperaturspanne von 2,2 Kelvin ein. Die kalte Seite lag im Mittel 1,0 Kelvin unter der Ausgangstemperatur. Unter angepassten Bedingungen sank sie um bis zu 1,4 Kelvin. Die gemessene Kühlleistung betrug 2,09 Milliwatt.

„Der entscheidende Moment für uns war, als wir tatsächlich die Kälte messen konnten, die von einem wärmegetriebenen System erzeugt wurde“, sagt Erstautor Yi-Ting Hsiau vom KIT. Damit funktionierte das Prinzip nicht nur mit elektrisch erzeugter Wärme. Auch eine externe Wärmequelle konnte die Bewegung auslösen, welche die zweite Folie zur Kühlung benötigt.

Computer könnten ihre eigene Abwärme zum Kühlen nutzen

Eine mögliche Anwendung sehen die Forscher bei Elektronik. Prozessoren und andere Bauteile erzeugen während des Betriebs Wärme, die heute abgeführt werden muss. Künftig könnte ein Teil dieser Abwärme den Kühlmechanismus selbst antreiben. Auch in Fahrzeugen kommt das Prinzip infrage. Dort könnten Abwärme aus Antrieb oder Abgasstrang und die Kühlung empfindlicher Elektronik miteinander gekoppelt werden.

Bis zu einer Kühlung für Computer, Autos oder größere Anlagen bleibt jedoch Entwicklungsarbeit. Der aktuelle Aufbau ist ein kleiner Machbarkeitsnachweis. Seine absolute Kühlleistung liegt nur im Milliwattbereich. Für mehr Leistung wollen die Forscher mehrere Folien parallel einsetzen oder deren Fläche vergrößern. Dabei müssen Wärme gleichmäßig verteilt und die Bewegungen vieler Folien synchronisiert werden. Diese Lösungen sind im jetzigen Prototyp noch nicht umgesetzt.

Ganz ohne Strom kommt der Prototyp noch nicht aus

Auch die Formulierung „Kühlen ohne Strom“ wäre für den jetzigen Entwicklungsstand zu weitgehend. Die Wärme kann zwar den bislang elektrisch betriebenen Kraftantrieb der elastokalorischen Kühlung ersetzen. Im Labor bewegen elektrische Aktoren aber weiterhin Teile der Wärmetauscher. Die Forscher sprechen deshalb von einer Technik, die den Strombedarf der Kühlung verringern kann.

Wie lange solche Systeme im Alltag halten könnten, ist ebenfalls offen. Die verwendete Kühlfolie überstand mehr als 2.000 Belastungszyklen ohne mechanisches Versagen oder erkennbare Leistungseinbußen. Auf eine maximale Lebensdauer war der Prototyp jedoch nicht ausgelegt. Andere Nickel-Titan-Legierungen haben in früheren Untersuchungen bereits mehr als zehn Millionen Zyklen erreicht. Für die Karlsruher Technik sind nun größere und leistungsfähigere Systeme der nächste Schritt.

Kurz zusammengefasst:

Forscher vom KIT nutzen Wärme als Antrieb für Kühlung: Eine Metallfolie erzeugt Bewegung, eine zweite kühlt sich beim Entlasten ab.
Mit einer externen Wärmequelle erreichte der Prototyp eine Temperaturspanne von 2,2 Kelvin.
Noch ist die Technik ein Laborversuch: Die Kühlleistung ist gering, größere und alltagstaugliche Systeme müssen erst entwickelt werden.

Übrigens: Wärme lässt sich nicht nur zum Kühlen nutzen, sondern auch speichern – Forscher haben dafür Balsaholz so verändert, dass es Sonnenenergie aufnimmt und später sogar Strom liefern kann. Wie das Material funktioniert und welche Messwerte es im Labor erreicht, mehr dazu in unserem Artikel.