Forscher der Hong Kong University of Science and Technology haben das weltweit erste degradationsfreie Elastokalorik-Kühlgerät vorgestellt. Das System liefert eine konstante Kühlleistung von 400 Watt und überstand eine Million Zyklen ohne Leistungsverlust. Die Entwicklung basiert auf einer neuen Titan-Nickel-Kupfer-Kobalt-Legierung und soll den Weg für nachhaltige Klimaanlagen ebnen.
Herkömmliche Klimageräte und Kühlschränke basieren auf der Kompressionskältetechnik. Diese Systeme verbrauchen erhebliche Mengen Energie und nutzen Kältemittel, die bei Leckagen stark zum Treibhauseffekt beitragen. Als umweltfreundliche Alternative rückt die sogenannte elastokalorische Kühlung seit Jahren in den Fokus der Forschung. Sie nutzt die reversiblen Phasenübergänge von Formgedächtnislegierungen, die beim mechanischen Komprimieren Wärme abgeben und beim Entlasten wieder aufnehmen.
Neue Titan-Nickel-Kupfer-Kobalt-Legierung stoppt Materialermüdung
Bislang scheiterte der kommerzielle Durchbruch dieser Technologie vor allem an der geringen Lebensdauer der verwendeten Materialien. Kommerzielle Nickel-Titan-Legierungen neigen zu funktionalen Ermüdungserscheinungen, weshalb ihre Kühlleistung nach wiederholten Zyklen nachlässt. Um dieses grundlegende Problem zu lösen, entwickelte das Team um Professor Sun Qingping eine völlig neue Legierung aus den Elementen Titan, Nickel, Kupfer und Kobalt. Dieser innovative Werkstoff gewährleistet eine stabile Freisetzung und Absorption latenter Wärme auch nach zahllosen Lastwechseln.
Prof. SUN Qingping, Lehrstuhlinhaber am Department of Mechanical and Aerospace Engineering der HKUST, erklärte, dass zwar in den vergangenen zehn Jahren bei der Kühlleistung erhebliche Fortschritte erzielt worden seien, eine langfristige Kühlstabilität jedoch für den praktischen Einsatz von entscheidender Bedeutung sei, und fügte hinzu, dass sie diese zentrale Herausforderung durch die Integration fortschrittlicher Formgedächtnislegierungsmaterialien mit innovativer Gerätetechnik bewältigt hätten.
Im Rahmen beschleunigter Labortests zeigte der hochentwickelte Werkstoff selbst nach 100 Millionen Zyklen keinen messbaren Abfall in seiner Kühlfähigkeit. Unter realen Betriebsbedingungen kalkulieren die Ingenieure eine verlässliche Lebensdauer von mehr als zehn Jahren für das Kältemittel ein.
Optimierte Struktur und kompaktes Design steigern die Effizienz
Neben der Materialforschung nahmen die Wissenschaftler auch den mechanischen Aufbau des Kühlgeräts unter die Lupe. Das Team konstruierte eine doppellagige Finnenstruktur für den Kältemittelbereich. Diese Geometrie verbessert den Wärmeübergang und erhöht gleichzeitig die Knickfestigkeit, wodurch die Struktur mehr als zehn Millionen Kompressionszyklen schadlos übersteht.
Durch eine gezielte Optimierung der Systemarchitektur reduzierten die Forscher die Gesamtzahl der verbauten Komponenten um die Hälfte. Der Anteil ineffektiver Bauteile sank nach Angaben aus dem Forschungslabor von 15 Prozent auf nur noch 5 Prozent. Durch die Zusammenschaltung mehrerer solider Kältemitteleinheiten entstand schließlich ein Prototyp, der eine konstante Kühlleistung von 400 Watt erbringt und eine Temperaturspanne von 41 Kelvin über eine Million Zyklen fehlerfrei aufrechterhält.
Nächste Schritte auf dem Weg zur Marktreife
Dennoch verbleiben technische Herausforderungen bis zur breiten kommerziellen Nutzung. Nach Angaben der Forscher arbeiten sie parallel an der Weiterentwicklung der Technologie, um die Energieeffizienz zu steigern, die Leistungsdichte zu erhöhen und die Produktionskosten zu senken.
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