Solid-State-Kühler macht aus heißer Luft echte Kälte

Kühlschränke, Klimaanlagen und Rechenzentren verschlingen enorme Mengen Strom, denn fast die Hälfte des weltweiten Energieverbrauchs entfällt auf Kühlen und Heizen. Ein Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der japanischen Universität Tsukuba hat nun ein Kühlsystem gebaut, das ohne einen Elektromotor auskommt. Wärme selbst erzeugt darin die Kälte. Die Forscher:innen veröffentlichten ihre Arbeit in der Fachzeitschrift Nature Energy.

Zwei Folien mit komplementären Aufgaben

Herkömmliche Kühlschränke und Klimaanlagen pumpen mit einem stromgetriebenen Kompressor ein Kältemittel durch wiederholte Phasenwechsel zwischen Gas und Flüssigkeit. Elastokalorische Kühlsysteme gehen einen anderen Weg. Formgedächtnislegierungen aus Nickel und Titan ändern unter mechanischer Spannung ihre Kristallstruktur und geben dabei Wärme ab. Lässt die Spannung nach, kehrt sich der Vorgang um, und das Material kühlt ab. Bisher benötigten solche Systeme trotzdem einen Elektromotor oder Hydraulikantrieb, der das Material immer wieder dehnt und entspannt.

Das Team um Jingyuan Xu und Yi-Ting Hsiau löst dieses Problem, indem es zwei hauchdünne Nickel-Titan-Folien koppelt. Eine 22 Mikrometer dünne Titan-Nickel-Folie übernimmt die Rolle des Antriebs. Erwärmt sie sich, zieht sie sich zusammen und überträgt diese Bewegung mechanisch auf eine zweite, 26,5 Mikrometer dünne Titan-Nickel-Eisen-Folie, die als eigentliches Kältemittel dient.

Wärme statt Strom treibt den Kreislauf an

Kühlt die Antriebsfolie wieder ab, kehrt sie in ihre ursprüngliche Form zurück und dehnt dabei die Kältemittelfolie. Diese Dehnung löst den spannungsinduzierten Phasenübergang aus, der Wärme freisetzt. Sobald diese Wärme an eine Wärmesenke abgegeben ist, entspannt sich die Antriebsfolie, die Last auf dem Kältemittel sinkt, dessen Kristallstruktur kehrt zurück, und es nimmt Wärme auf. Erneutes Erhitzen der Antriebsfolie startet den Zyklus von vorn. Ingenieur:innen müssen für diesen Ablauf keinen Strom zuführen, denn die Wärme selbst liefert die nötige Kraft.

Erste Messwerte bestätigen das Prinzip

Im Labor erreichte die Kältemittelfolie bei einer mittleren Antriebstemperatur von 86 Grad Celsius eine Temperaturspanne von 12,9 Kelvin. Nach 20 Zyklen und unter Einbeziehung der Wärmetauscher lag die Spanne des gesamten Bauteils bei 4,0 Kelvin. Als die Forscher:innen die elektrische Widerstandsheizung durch eine externe Wärmequelle mit 130 Grad Celsius ersetzten, funktionierte der Aufbau weiterhin. Die warme Seite erwärmte sich um 1,2 Grad, die kalte Seite kühlte um 1,0 Grad ab, macht eine Spanne von 2,2 Kelvin und eine Kühlleistung von 2,09 Milliwatt, umgerechnet 3,32 Watt pro Gramm aktivem Kältemittel.

Noch eine Machbarkeitsstudie

Diese Werte liegen weit unter dem, was ein Prozessor oder eine Klimaanlage heute braucht, und niemand wird das System demnächst an eine 500-Watt-Grafikkarte anschließen. Das KIT bezeichnet den Aufbau selbst als Machbarkeitsstudie, die noch nicht auf maximale Kühlleistung optimiert ist. Das Team plant, mehrere Folien parallel zu schalten, um die Leistung zu steigern. Denkbare Einsatzfelder reichen von Prozessoren, die ihre eigene Abwärme zur Kühlung nutzen, bis zu Fahrzeugelektronik, die Wärme aus dem Antriebsstrang verwertet. Gefördert wurde die Arbeit von der Carl-Zeiss-Stiftung, der Baden-Württemberg-Stiftung und der Hector Fellow Academy.

via KIT