Klimatisierung, Kühlung und andere Kühltechnologien machen heute mehr als 20 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs aus, während die von ihnen verwendeten Kältemittel ein tausendfach höheres Treibhauspotenzial haben als Kohlendioxid. In einer aktuellen Studie in der Zeitschrift Wissenschaftstellte ein Team unter der Leitung der Maryland-Ingenieurprofessoren Ichiro Takeuchi, Reinhard Radermacher und Yunho Hwang ein leistungsstarkes elastokalorisches Kühlsystem vor, das die nächste Generation von Kühlgeräten darstellen könnte.
Takeuchi nennt es „eine völlig andere, völlig umweltfreundliche, umweltfreundliche Kühltechnologie, die chemische Kältemittel umgeht und im Wesentlichen auf dem Schieben und Ziehen von Metallstücken beruht, um Kühlung zu erzeugen.“
Kalorische Materialien – einschließlich magnetokalorischer, elektrokalorischer und elastokalorischer Materialien – können Phasenübergänge und -freisetzungen durchlaufen und bei Anwendung verschiedener Felder und mechanischer Kräfte Wärme absorbieren. Das Hauptmerkmal ist die Komprimierung und Entspannung ermüdungsbeständiger Nickel-Titan-Röhren (NiTi), die in einer vielseitigen Multimode-Wärmeaustauscharchitektur konfiguriert sind.
„Vor mehr als einem Jahrzehnt haben wir nur mit einem NiTi-Draht gespielt“, sagte Takeuchi. „Durch die Dehnung konnte man einen erheblichen Kühleffekt erzielen, den man mit der Hand spüren konnte. Da begannen wir darüber nachzudenken, das Konzept auf ein Kühlgerät anzuwenden.“
Video, das den Live-Betrieb eines elastokalorischen Multimode-Kühlers zeigt (bei 10-facher Geschwindigkeit). Superelastische NiTi-Rohrbündel werden mithilfe hydraulischer Aktuatoren komprimiert. In dieser Konfiguration werden zwei obere Bündel und zwei untere Bündel gemeinsam im direkten Arbeitsrückgewinnungsmodus betrieben, um eine Kühlleistung von 150 W zu liefern. Das linke Diagramm überwacht die Temperatur des Kühlmediums (Wasser) an den Auslasspunkten der Bündel (blau: oben; rot: unten). Das rechte Diagramm zeigt die Temperaturen der Wärmequelle (blau) und der Wärmesenke (rot) als Funktion der Zeit. Bildnachweis: Maryland Engineering
Das Team sagt, dass es möglich ist, die Leistung seines Systems so weit zu verbessern, dass die Technologie innerhalb weniger Jahre kommerziell nutzbar wird. Ein aktueller Prototyp kann eine Kühlleistung von 200 Watt erzeugen, genug, um einen kompakten Weinkühlschrank mit Strom zu versorgen. Es ist geplant, ihn später auf Fenstereinheiten, Kühlsysteme für das ganze Haus und gewerbliche HVAC-Anlagen auszuweiten.
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Suxin Qian et al., Hochleistungs-Multimode-elastokalorisches Kühlsystem, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adg7043