Forscher entwickeln elastokalorische Kühlung mit stabiler Kühlleistung

Ein Forschungsteam der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hat ein elastokalorisches Kühlgerät entwickelt, das über eine längere Nutzungsdauer eine stabile Kühlleistung liefern können soll. Das auf einem Formgedächtnislegierungsmaterial basierende Kältemittel erzeugt seine Kühlleistung bei der Entspannung nach mechanischer Belastung. Die dabei zusätzlich entstehende Materialermüdung wollen die Wissenschaftler in den Griff bekommen haben, um so die Grundlagen für umweltfreundlichere Kühlgeräte zu schaffen.

Elastokalorische Materialien nutzen den Formgedächtniseffekt. Die Festmaterialien erzeugen bei mechanischer Belastung Wärme. Die Wärme wird abgeführt bis das Material wieder seine ursprüngliche Temperatur erreicht hat. Sobald die mechanische Spannung herausgenommen wird, fällt die Temperatur unter die Ausgangstemperatur ab und kann bei wiederholter mechanischer Be- und Entlastung so zur Kühlung verwendet werden. Ein Problem dieser Technik ist, dass die wiederholten mechanischen Belastungszyklen das Material schwächen, dadurch die Kühlleistung verringern und die Kühlfunktion ausfallen kann. Der Leistungsabfall und die geringe Zuverlässigkeit verhinderten bisher den kommerziellen Einsatz der Technik.

Belastbare Formgedächtnislegierung

Die von den Wissenschaftlern der HKUST entwickelte Formgedächtnislegierung (FGL) soll dagegen mechanisch deutlich belastbarer sein als herkömmliche Legierungen. Mehr als eine Million Belastungszyklen seien möglich, ohne dass dabei ein Leistungsverlust oder Schäden auftreten, heißt es in der Studie „A zero-degradation elastocaloric cooling device using fatigue-resistant refrigerant“, die in Joule erschienen ist.

Üblicherweise werden in Prototypen zur elastokalorischen Kühlung Nickel-Titan-Legierungen verwendet. Die Forscher der HKUST nutzen jedoch eine selbst entwickelte Legierung aus Titan, Nickel, Kupfer und Kobalt (TiNiCuCo-Legierung). Im Vergleich zu TiNi-Legierungen bleibe die elastokalorische Leistung über viele zyklische Phasenübergänge hinweg konstant, sodass eine verlässliche Funktion als Feststoffkältemittel gegeben sei. Um die Knickfestigkeit zu erhöhen, wurde das Material zu einer doppelwandigen Rippenstruktur geformt. Neben der Knickfestigkeit von mehr als 10 Millionen Kompressionszyklen soll diese Struktur auch die Wärmeübertragung effizienter machen.

Die Forscher optimierten auch den Aufbau eines solchen Kühlgerätes. Wärmeverluste konnten so reduziert und die Systemstabilität verbessert werden. Die Anzahl der Komponenten sei so um 50 Prozent reduziert worden und auch der Anteil ineffektiv arbeitender Bauteile sank von 15 Prozent auf 5 Prozent.

Konstante Kühlleistung

Das von den Wissenschaftlern gebaute Kühlgerät erzielte eine konstante Kühlleistung von 400 W bei über einer Million Betriebszyklen. Einen Leistungsabfall konnten die Forscher nach eigenen Angaben nicht feststellen. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass Kühlgeräte auf Basis der TiNiCuCo-Legierung noch deutlich länger durchhalten können. Dazu hatten sie beschleunigte Ermüdungstests an dem Material durchgeführt und auch nach 100 Millionen Zyklen keine Funktionsbeeinträchtigung festgestellt. Entsprechend gehen die Forscher davon aus, dass unter realen Kühlbedingungen ein mehr als zehn Jahre dauernder Betrieb möglich ist.

Die Wissenschaftler sehen jedoch noch weiteren Forschungsbedarf. Um wettbewerbsfähige, elastokalorische Kühlsysteme auf den Markt zu bringen, müsse noch an der Energieeffizienz, der Leistungsdichte und den Kosten gearbeitet werden.