Forschende am Karlsruhe Institute of Technology (KIT) und an der University of Tsukuba in Japan haben ein wärmegetriebenes elastokalorisches Kühlsystem entwickelt, das zwei ultradünne Nickel-Titan-Formgedächtnisfolien nutzt. Der Prototyp wandelt thermische Energie zunächst in mechanische Arbeit und anschließend in Kälte um. Damit lassen sich Wärmequellen wie Abwärme und Solarenergie für die Festkörperkühlung nutzen. Die Ergebnisse wurden in Nature Energy veröffentlicht.
Das System koppelt Folien mit komplementären Funktionen. Beim Erwärmen zieht sich die erste Folie durch den Formgedächtniseffekt zusammen und erzeugt mechanische Arbeit ohne Elektromotor. Diese Bewegung be- und entlastet eine zweite Folie, in der reversible Veränderungen ihrer Kristallstruktur den elastokalorischen Kühleffekt erzeugen.
Der Prototyp verwendet eine 22-µm-dicke TiNi-Aktorfolie und eine 26,5-µm-dicke superelastische TiNiFe-Kältemittelfolie. Bei einer durch Joulesche Erwärmung erzeugten Betätigung und einer durchschnittlichen maximalen Aktortemperatur von 86 °C (187 °F) erreichte das integrierte Gerät eine Temperaturspanne von 4,0 K, während die Kältemittelfolie 12,9 K erzielte. Die Kälteleistung bei einem Temperaturhub von null betrug 2,79 mW, entsprechend einer spezifischen Kälteleistung von 4,43 W g−1.
Die Forschenden demonstrierten den Betrieb außerdem mit einer externen festen Wärmequelle bei 130 °C (266 °F). In dieser Konfiguration erreichte das Gerät im stationären Zustand eine Temperaturspanne von 2,2 K und eine Kälteleistung von 2,09 mW, entsprechend 3,32 W g−1. Die Forschenden arbeiten daran, mehrere Folien parallel zu schalten, um die Kälteleistung zu erhöhen. Zu den potenziellen Anwendungen zählen Prozessoren und Automobilelektronik.
„Die entscheidende Innovation besteht darin, dass wir zwei komplementäre Funktionen von Formgedächtnislegierungen kombinieren. Eine Folie wandelt Wärme in mechanische Arbeit um, während die andere Folie diese Arbeit in Kälte umwandelt“, sagte Dr. Jingyuan Xu, der die Nachwuchsgruppe des ZEco Thermal Lab am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT leitet. „Auf diese Weise etablieren wir einen neuen Ansatz zum Antrieb der Festkörperkühlung und eröffnen damit spannende Möglichkeiten für die Nutzung von Abwärme und Solarenergie.“
