Ein Kühlschrank aus Gedächtnismetall

In der Mitte der Grafik sind waagerechte, graue Balken mit der Bezeichnung "elastocaloric elements". Links davon sind blaue, zackige Linien über denen "heat source" und rechts davon ebensolche rote Linien worüber "heat sink" steht.
Prinzip des Kühlschranks aus Gedächtnismetall

In Milliarden von Kühlschränken wird ein Kältemittel zyklisch komprimiert und entlastet und wechselt dabei seinen Aggregatzustand zwischen flüssig und gasförmig. Mit diesem Kreisprozess können logistische Kühlketten aufgebaut und Weißwein jederzeit kalt genossen werden. Eine alternative Kühltechnik schlagen nun dänische Wissenschaftler vor. Sie berechneten, dass auch Gedächtnismetalle eine Umgebung effizient um bis zu 30 Grad abkühlen können. Ihr Modell, auf dessen Basis nun erste Prototypen entwickelt werden könnten, stellen die Forscher in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ vor.

„Dank des elastokalorischen Effekts könnte ein Kühlgerät eine außerordentliche Kühlleistung liefern“, sagt Jaka Tušek von der Technischen Universität Dänemarks in Roskilde (DTU). Elastorisch bedeutet, dass die Verformung eines Materials eine Temperaturänderung verursacht. Das erstaunliche Ergebnis der dänischen Forscher gründet auf detaillierte numerische Simulationen, die Tušek zusammen mit seinen Kollegen durchführte.

Dass sich etwa eine Nickel-Titan-Legierung an seine Form bei einer gewissen Temperatur erinnert, beruht auf einer Umordnung der metallischen Kristallstruktur. Wird ein Gedächtnismetall gedehnt, verliert es seine kubische Austenit-Struktur und geht in eine metastabile Martensit-Struktur über. Bei diesem Wechsel heizt sich das Material ein wenig auf. Umgekehrt kühlt es sich wieder ab, wenn die Legierung ohne äußere Kraft wieder seine Ursprungsform annimmt. Genau diese Abkühlung könnte für den Betrieb eines speziellen Kühlschranks, der ohne gasförmige Kältemittel auskommt, genutzt werden.

Um die Kühlleistung dieser Verformung zu bestimmen, entwarfen die Wissenschaftler ein Computermodell von einem Kältegenerator aus Gedächtnismetall. Mehrere Metallplatten aus dem elastokalorischen Gedächtnismetall ordneten sie parallel an und ergänzten an beiden Seiten Wärmetauscher, durch die Wasser zirkulieren könnte. Über beidseitig montierte mechanische Stempel ließen sich die Metallplatten zyklisch verformen. So konnte in der Simulation eine Seite effizient gekühlt und die Wärme an der anderen Seite an die Umgebung abgegeben werden.

Nach den Berechnungen könnte etwa ein halbes Kilogramm einer Nickeltitan-Legierung ausreichen, um 500 Watt Kühlleistung zu erzielen. Nur acht Verformungszyklen pro Sekunde genügten, um einen isolierten Innenraum um 25 bis 30 Grad abzukühlen. Ein anderes Gedächtnismetall aus Kupfer, Zink und Aluminium wäre nicht ganz so effizient. Die zyklische Verformung von gut doppelt so schweren Metallplatten wäre für einen vergleichbaren Kühleffekt nötig.

Auf dieser theoretischen Grundlage könnten nun Kühlschrankprototypen mit Gedächtnismetallen, einer Dehnungsmechanik und Wärmetauschern entwickelt werden. Für herkömmliche, über Jahrzehnte ausgereifte Kühlschränke ist auf dieser Basis allerdings keine Konkurrenz zu erwarten. Doch für spezielle Anwendungen – etwa für Laborexperimente oder im Weltraum – könnte eine Gedächtnismetallkühlung ohne den Kreislauf eines flüssig-gasförmigen Kältemittels durchaus interessant sein.