Kälteanlagen ohne Kältemittel: Auftritt eines alten Bekannten
Klima- und andere Kälteanlagen könnten schon bald ohne Kältemittel auskommen. Das Prinzip dahinter: Elastokalorik.
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Klima- und andere Kälteanlagen könnten schon bald ohne Kältemittel auskommen. Das Prinzip dahinter: Elastokalorik.
Umwälzende Revolutionen hat es im Verlauf der Geschichte immer gegeben, auch in den zahlreichen Disziplinen der Wissenschaft. Dabei wurden stets neue Tatsachen geschaffen und Vergangenes in Frage gestellt. Allerdings ist für Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki der Begriff der Revolution etwas drastisch ausgedrückt. Vielmehr empfindet er es, an vorderster Front mit dabei zu sein. „Wir entwickeln derzeit eine Alternative zur Kälte- und Dampfkompression“, sagt Motzki.
An der Universität des Saarlandes ist er Professor für smarte Materialsysteme und innovative Produktion. Gemeinsam mit seinem Forscherteam entwickelt er seit mehr als zehn Jahren eine Technologie, mit der Kälteanlagen sowie Wärmepumpen ohne natürliche oder synthetische Kältemittel funktionieren. Bei dieser Alternative handelt es sich um die sogenannte Elastokalorik.
Der Forschungs- und Entwicklungsverbund Departsaar, zu dem unter anderem auch die Universität des Saarlandes gehört, hat sich der Entwicklung der Elastokalorik-Technologie verschrieben. Laut Verbund ist die Technologie bereits heute eine Alternative zu den herkömmlichen Kühl- und Heizmethoden, die oft mit synthetischen und umweltschädlichen Kältemitteln arbeiten. Elastokalorik dagegen sei klimafreundlich und energiesparend. Darüber hinaus arbeite der Verbund daran, die Technologie der Elastokalorik weiterzuentwickeln, sodass sie zukünftig zur Kühlung von Haushaltsgeräten oder in der Industriekühlung genutzt werden kann.
Ein entscheidender Faktor bei der Elastokalorik ist die Nickel-Titan-Legierung. Bei Nickel-Titan handelt es sich um sogenanntes Formgedächtnismaterial. Wird ein Draht aus dieser Formel-Legierung gezogen und dann wieder entlastet, nimmt er entweder Wärme auf oder gibt sie wieder ab. Dabei seien Temperaturunterschiede bis zu 40°C möglich. „Die Legierung ist bei Raumtemperatur in einer Hochtemperaturphase. Durch Zug oder Druck zwingen wir sie mechanisch in die Niedertemperaturphase. Dabei wird Wärme abgegeben, das Material wird warm“, erläutert Paul Motzki.
Die meisten auf dem Markt verfügbaren Kältemittel haben einen flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand. Sobald es in der Kälteanlage oder in der Wärmepumpe eine undichte Stelle gibt, gehen die konventionellen Kältemittel direkt in die Atmosphäre. „Dieses Problem haben wir nicht mehr, wenn wir mit Festkörpern arbeiten“, sagt Motzki und verweist gleichzeitig auf einen weiteren Vorteil der Elastokalorik-Technologie.
Mit Nickel-Titan gelinge eine deutliche Energieeinsparung, „da die konventionellen und kompressionsbasierten Systeme keine Sprünge mehr mit Blick auf die Effizienz machen werden“, so der Leiter der Forschungsgruppe.
Im Verbund von Departsaar stellt sein Team die Nickel-Titan-Legierung mithilfe des 3D-Drucks her. Anstatt von Drähten, entschieden sie sich für Würfel. Diese Geometrie kommt nicht von ungefähr, denn sie bringt potenziell neue Möglichkeiten zum Kühlen und Heizen mit sich. „Unser Ziel war es, eine Struktur zu schaffen, die wir durch Druck belasten und auch wieder entlasten können, sodass wir Wärme und Kälte optimal abführen können“, sagt Motzki. Darüber hinaus ermögliche das Druckverfahren, komplexe Bauteile einfacher herzustellen.
Nickel-Titan-Legierungen sind laut Motzki keine Neuheit. „Die Legierungen werden seit rund 50 Jahren vor allem in der Medizintechnik genutzt.“ Beispiele dafür sind Stents bei Herzoperationen sowie die Fertigung von Zahnspangen. Hier wird seit Jahrzehnten auf Nickel-Titan gesetzt. Den Effekt der Abgabe von Wärme und Kälte machten sich Motzki und sein Team zunutze. „Unsere Herausforderung bestand darin, diesen Effekt in ein Kühlsystem zu überführen“, sagt Motzki. Eine Klimaanlage oder Wärmepumpe habe man dadurch noch nicht. Das Formgedächtnis sei lediglich eines von zahlreichen Bauteilen dieser Anlagen. Damit sich das Material verformt, ist ein Motor notwendig. Zudem braucht man Fluide. Deren Funktion besteht in der Wärmeübertragung.
Aus diesem Grund stellte sich für die Forschergruppe die Frage nach der Systementwicklung sowie nach der Weiterentwicklung der bestehenden Systemarchitektur von Kälteanlagen. „Unser Ziel ist es, dass die Nickel-Titan-Legierung so effizient wie möglich bei den Wärme- und Kälteübergängen arbeitet“, so Motzki.
Darüber hinaus steht die Forschergruppe aktuell vor der Herausforderung, weitere Legierungen zu entwickeln, und dringt dafür nicht selten in andere wissenschaftliche Disziplinen wie zum Beispiel die Metallurgie ein. „Die Materialien, die wir gegenwärtig in der Medizintechnik einsetzen, möchten wir weiterentwickeln für die elastokalorischen Anwendungen. Es ist jedoch eine völlig andere Wissenschaft, neue Legierungssysteme zu finden, welche die elastokalorischen Effekte noch besser aufweisen als eine Nickel-Titan-Legierung“, betont Paul Motzki.
Der Wissenschaftler ist sich sicher, dass es mithilfe der Legierung möglich ist, ein Einfamilienhaus zu 100 % zu kühlen und zu heizen. Nickel-Titan als Ersatz für klimaschädliche und gasförmige Kältemittel sei dazu in der Lage. Auf die Frage, wann die ersten Systeme auf den Markt kommen, gibt er zu bedenken: „Es kommt stark auf die Anwendung an. Wir von der Forschungsgruppe verfolgen verschiedene Anwendungsfelder und arbeiten bereits mit einigen Partnern zusammen.“
Paul Motzki blickt positiv in die Zukunft, was den Einsatz der Nickel-Titan-Technologie betrifft und macht deutlich, dass die Kältemittel-Alternative vor allem in Niedrigenergiehäusern zum Tragen kommen könnte. „Wir sind in einem EU-Projekt involviert, in dessen Rahmen wir die Anwendung und vor allem die Effizienz derzeit testen“, so der Leiter der Forschungsgruppe. Im Rahmen des Projektes arbeitet die Gruppe außerdem mit einer Firma zusammen.
Darüber hinaus gibt Motzki eine weitere Prognose und sagt, dass künftig eine Kombination aus konventionellen Kältemitteln und elastokalorischen Lösungen möglich sei. „Auf diese Weise könnten die unterschiedlichen Stärken der Technologien ausgenutzt werden.“ Obwohl vielfach über die Nachteile der konventionellen Kühlmittel gesprochen wird, dürfe man die Vorteile nicht außeracht lassen, auch wenn deren „Phase-down“, die schrittweise Verringerung der Gesamtmenge teilfluorierten Kohlenwasserstoffe, bereits in vollem Gange ist.
