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Den Effekt plötzlich eintretender Kälte kann die Besucherschaft der Hannover Messe mit eigenen Sinnen erfahren: Es genügt vom Prinzip her, das Material zu ziehen und wieder zu entlasten, um damit zu kühlen – oder auch zu heizen. Das Team von Paul Motzki von der Universität des Saarlandes entwickelt die klimaschonende Kühl- und Heiztechnologie Elastokalorik für den Praxiseinsatz weiter: Die Forscher bauen an Klimaelementen mit langer Lebensdauer und feilen am Design, um diese leicht auszutauschen. Mit den 3D-Druck-Experten um Dirk Bähre forschen sie an neuen Kühlmittelformen. Die aktuellen Entwicklungen rund um die Klimatechnologie zeigen die Teams auf der Hannover Messe (20. bis 24. April).
Die glänzenden Würfel mit unterschiedlicher Geometrie sehen aus wie stylische Deko-Objekte. Aber die Ästhetik der 3D-gedruckten Mini-Kunstwerke ist für die Forscher allenfalls ein beiläufiger Nebeneffekt. Was die Fertigungstechniker aus dem Team von Professor Dirk Bähre zusammen mit den Experten für smarte Materialsysteme um Professor Paul Motzki entwickeln, ist alles andere als nur optisch reizvoll. „Es handelt sich um die nächste Ausbaustufe der Klimatechnologie Elastokalorik. Mit den neuen Strukturen sind wir noch auf dem Gebiet der Grundlagenforschung – aber wir arbeiten daran, auch diese Technologie zügig praxisreif weiterzuentwickeln“, erklärt Paul Motzki. Die neuen Geometrien für Kühl- und Heizmittel sollen mit möglichst großer Oberfläche im Inneren wie Äußeren so viel Kühl- und Heizeffekt bringen wie möglich.
Die Klimatechnologie Elastokalorik braucht keine klimaschädlichen Kältemittel zum Kühlen und kein Öl oder Gas zum Heizen. Kühl- und Heizmittel sind hier Materialien aus der Formgedächtnislegierung Nickel‑Titan: Bislang forschte das Team von Paul Motzki von der Universität des Saarlandes an haarfeinen Drahtbündeln und dünnen Blechen aus dieser Legierung. Diese geben Wärme ab, wenn man sie zieht oder drückt, und nehmen Wärme auf, wenn man sie wieder entlastet. Die Ingenieure nutzen dies, um Wärme von einem Ort zum anderen zu transportieren, also etwa aus einer Kühlkammer heraus. Daran, dass mit diesem einfachen Prinzip in Zukunft Autos, Häuser oder Industrieanlagen umweltfreundlich und energieeffizient gekühlt und geheizt werden können, forschen die Ingenieurinnen und Ingenieure an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) bereits seit über 15 Jahren. Auf der Hannover Messe zeigen sie, wie nah die Technologie bereits an der Anwendung ist: Das Stadium der reinen Grundlagenforschung hat sie hinter sich gelassen.
Wie neue Materialien kühlen
Kühlen und Heizen verbrauchen heute weltweit enorme Energiemengen – mit dem Klimawandel ist die Tendenz steigend. Die Elastokalorik stellt im Vergleich zu herkömmlichen Kühl- und Heizmethoden einen deutlich besseren Wirkungsgrad in Aussicht. Die Klimatechnologie arbeitet so sauber wie der Strom gewonnen wird, der sie antreibt. Die EU-Kommission sieht die Technologie als „zukunftsträchtigste Alternative“ zu den herkömmlichen Verfahren, und das Weltwirtschaftsforum zählte sie zu den „TOP Ten Emerging Technologies“. Sie beruht auf den besonderen Eigenschaften von Nickel‑Titan: Diese Legierung verhält sich beim Verformen anders als übliche Metalle.
Das Material hat ein Formgedächtnis: Nickel-Titan besitzt zwei Phasen, die ineinander übergehen können, sich im übertragenen Sinne also aneinander „erinnern“. Beim Wechsel der Phasen kommt es zum Wärmetransport. „Die Legierung ist bei Raumtemperatur in einer Hochtemperaturphase. Durch Zug oder Druck zwingen wir sie mechanisch in die Niedertemperaturphase. Dabei wird Wärme abgegeben, das Material wird warm. Hat das Material dann Umgebungstemperatur erreicht, entlasten wir es: Das Material wechselt wieder in die Hochtemperaturphase und entzieht dabei der Umgebung die Wärme: Das Material wird kalt“, schildert Paul Motzki den Kühlvorgang. Also: Wird ein Nickel-Titan-Draht gezogen, gibt er Wärme an vorbeiströmende Luft oder Flüssigkeit ab; wird er entlastet, nimmt er Wärme auf. Dieses Ziehen und anschließende Entlasten, die mechanische Verformung also, ist das Schlüsselprinzip der neuen Technologie. Zusätzliche Sensoren benötigt sie nicht. Das Material selbst hat Sensoreigenschaften. „Jede Verformung der Drähte lässt sich einem konkreten Messwert des elektrischen Widerstandes zuordnen. Wir können an den Messwerten ablesen, wie sich das Material gerade verformt. Damit ist ein Positionssensor gleich integriert“, erläutert Motzki.
Die Saarbrücker Forscherinnen und Forscher versuchen durch größtmögliche Oberfläche so viel Kühl- und Wärmeleistung zu erzielen wie möglich. Denn: Je größer die Oberfläche, umso effizienter läuft der Wärmeübergang an das jeweilige Medium Luft oder Wasser. Erhöhen Motzki und sein Team bislang die Oberfläche durch das Bündeln vieler Formgedächtnisdrähte, sollen nun neuartige Kühl- und Heizmittel durch eine im Inneren poröse geometrische Struktur so viel Kontaktfläche wie möglich für den Kühl- und Heizeffekt aufbieten. Hierzu entwickelt die Arbeitsgruppe von Paul Motzki mit dem Team von Dirk Bähre komplizierte Formen aus Nickel-Titan, durch die Luft oder Wasser durchströmen können, um Wärme aufzunehmen und abzugeben. Die Forscher feilen am optimalen Design der filigranen Strukturen. Die Legierung wird für die Experimente im 3D-Drucker Schicht für Schicht gedruckt. Durch Tests soll sich zeigen, welche der komplizierten Formen sich für das Kühlen und Heizen am besten eignen.
Wie die Forschungsteams die Technologie anwendungsreif machen
Zugleich arbeiten Motzki und sein Team daran, die Elastokalorik für den Praxiseinsatz weiterzuentwickeln. Als zug- oder druckbasiertes Kühlsystem sollen die Materialien künftig in Kühlschränken und Kühlaggregaten im Dauereinsatz sein. „Wir arbeiten an robusten Materialien und einem Design, das sich im Dauerbetrieb samt Wartung bewährt. Solche Fragen denken wir bei der Entwicklung mit – das ist unser Grundansatz in der Forschung und auch im Studium an der Universität des Saarlandes in Studiengängen wie Systems Engineering oder Sustainable Materials and Engineering“, sagt Paul Motzki, der, wie auch Dirk Bähre, zahlreiche Doktorandinnen und Doktoranden, aber auch Studierende in diese Forschung einbezieht.
Die Ingenieurteams gehen zum einen in Experimenten der Frage nach, wie sie die Materialien so belasten, dass sie lange halten. Hierzu stimmen sie die Materialeigenschaften und die Zug- und Druckrhythmen aufeinander ab. „Wir wollen zum Beispiel bei den Drahtbündeln eine Lebensdauer von über einer Million Zyklen erreichen“, erläutert Paul Motzki. Irgendwann aber ermüdet auch das beste Material. „Wir arbeiten deshalb zum anderen an einem einfachen und schnellen Materialwechsel. Dafür konstruieren wir die technischen Bauteile so, dass sie leicht ausgetauscht werden können. Von solcher Wartungsoptimierung hängt auch ab, dass sich die neue Kühltechnologie in der Praxis durchsetzen kann“, betont Motzki.
Förderungen und aktuelle Projekte zur Elastokalorik
Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert im Rahmen der Förderlinie "T!Raum" das Projekt "DEPART!Saar" mit bis zu 18 Millionen Euro. Ziel ist es, die Elastokalorik durch die Entwicklung von regionalen Transferstrukturen schneller in die Anwendung zu bringen und somit die saarländische Wirtschaft zu stärken. Parallel entstehen Kühl-Prototypen für Elektroautos im Projekt SmartCool, gefördert vom Bundeswirtschaftsministerium: Die Volkswagen AG, das Fraunhofer IPM und die Firma Ingpuls arbeiten hierbei gemeinsam mit dem Team von Paul Motzki an leichten und energieeffizienten Komponenten. In einem weiteren Forschungsprojekt entwickelt das Forschungsteam mit europäischen Partnern eine Klimaanlage, die Wohnungen dezentral kühlen und heizen soll. Hierfür erhält das Konsortium um Paul Motzki vier Millionen Euro im Rahmen der „EIC Pathfinder Challenge“ vom Europäischen Innovationsrat. Gefördert mit einem weiteren "ERC Starting Grant" des Europäischen Forschungsrates arbeiten Motzki und sein Team daran, die Elastokalorik mit einer bislang ebenfalls weltweit neuartigen Technologiekombination von Formgedächtnismaterialien und smarten Folienantrieben voranzutreiben: Die dielektrischen Elastomere sind die zweite Materialtechnologie, auf die Paul Motzki sich spezialisiert hat.
Auf der Hannover Messe erläutern die Forscherinnen und Forscher die Technologie und suchen Partner aus Industrie und Forschung, um die Elastokalorik für weitere Anwendungen weiterzuentwickeln – von Haushaltsgeräten bis zur Industriekühlung. Auf der Messe mit dabei ist unter anderem auch wieder der funktionsfähige Prototyp des ersten Elastokalorik‑Minikühlschranks, der zu Demonstrationszwecken eine Dose kühlt. Hier rotieren rund 200 Mikrometer dünne Nickel-Titan-Drahtbündel um eine runde Kühlkammer. Auf einer Seite werden sie gezogen, auf der anderen entlastet. Die Luft strömt an den Drähten vorbei, und transportiert Wärme aus der Kühlkammer heraus.
Gemeinschaftsstand „Germany‘s Saarland“ Halle 11, Stand D41.
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki, Professur Smarte Materialsysteme für innovative Produktion der Universität des Saarlandes und Geschäftsführer des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik ZeMA
Tel.: +49 (681) 85787-13; E-Mail: paul.motzki@uni-saarland.de
https://www.uni-saarland.de/aktuell/hannover-messe-2026-elastokalorik-45454.html - Weitere Pressefotos
Die Doktoranden Thorben Trodler (l.) und Michael Fries (r.) feilen an filigranen Strukturen aus Nick ...
Source: Foto: Oliver Dietze
Copyright: Universität des Saarlandes
Professor Paul Motzki entwickelt die neue Klimatechnologie Elastokalorik für den Praxiseinsatz weite ...
Source: Foto: Oliver Dietze
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Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Electrical engineering, Environment / ecology, Materials sciences, Mechanical engineering
transregional, national
Research projects, Transfer of Science or Research
German
Die Doktoranden Thorben Trodler (l.) und Michael Fries (r.) feilen an filigranen Strukturen aus Nick ...
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