Forskerteam bruger kunstige muskler til at udvikle et klimaanlæg til fremtiden

Det kan bruges til at afkøle eller opvarme luften i et rum eller til at afkøle eller opvarme væsker. Og det ligner noget, Q - tech -specialisten og gadgeteren i James Bond -filmene - måske var kommet på. Prototypen, som er udviklet af et forskerhold ledet af professorerne Stefan Seelecke og Andreas Schütze ved Saarland Universitet, er i stand til at overføre varme ved hjælp af 'muskler' lavet af nikkel-titanium. Nikkel-titanium eller nitinol, som det ofte er kendt, er et formhukommelsesmateriale, der frigiver varme til sine omgivelser, når det mekanisk belastes i sin superelastiske tilstand og absorberer varme fra sine omgivelser, når det læsses af. Denne usædvanlige egenskab er grunden til, at nitinol også omtales som en 'smart legering' eller som 'muskeltråd. "Denne effekt er blevet udnyttet af Saarbrücken -forskerne, der har udviklet et miljøvenligt varme- og kølesystem, der er to til tre gange mere effektiv end konventionelle varme- og køleudstyr.

EU-Kommissionen og det amerikanske energiministerium har begge vurderet den nye proces og anser den for at være den mest lovende alternative teknologi til eksisterende dampkomprimerede kølesystemer.

Teamet af Saarbrücken ingeniører udstiller deres teknologi på dette års Hannover Messe fra 1. til 5. april på Saarland Research and Innovation Stand (Hal 2, Stativ B46).

Reglerne er klare nok:At køle noget ned, du skal fjerne varme fra det. Og for at varme noget op, termisk energi skal tilføres den. Det prototypesystem, som ingeniørerne ved Saarland Universitet har udviklet, gør begge disse ting. Men deres system transporterer varme ved hjælp af en ny metode, der undgår de problemer og ulemper, der er forbundet med konventionelle varme- og kølesystemer. "Vores system klarer sig uden de konventionelle kølemidler, der er så skadelige for miljøet, "forklarer professor Andreas Schütze fra Saarland University - en ekspert inden for sensor- og måleteknologi.

Det underliggende princip er enkelt og indebærer i det væsentlige at udsætte en bestemt form-hukommelseslegering (SMA)-i dette tilfælde nikkel-titanium-for kontrollerede indlæsning/losning cyklusser. "De resulterende faseovergange, der opstår i legeringens krystalgitter frigiver eller absorberer latent varme, afhængigt af hvilken del af cyklussen materialet er i, "siger professor Stefan Seelecke, der har formanden for intelligente materialesystemer ved Saarland University. Denne effekt er især udtalt i ledninger fremstillet af nikkel-titanium. "Når forspændte nitinoltråde læsses ved stuetemperatur, de køler ned med helt op til 20 grader, "siger Felix Welsch, der har arbejdet på prototypen som en del af sit doktorgradsprojekt, sammen med sin teamkollega Susanne-Marie Kirsch. Dette fænomen gør det muligt at fjerne varme fra systemet. "Når ledningerne er mekanisk belastet, varmes de op med en tilsvarende mængde, så processen også kan bruges som varmepumpe, "forklarer Welsch.

Prototypen er den første kontinuerligt arbejdende maskine, der køler luft ved hjælp af denne proces. Teamet har designet og udviklet et patentanmeldt cam-drev, hvis rotation sikrer, at bundter af 200 mikrometer tykke nitinoltråde skiftevis læsses og læsses på en sådan måde, at varme overføres så effektivt som muligt. Luft blæses gennem fiberbundterne i to separate kamre:i et kammer opvarmes luften, i den anden er den afkølet. Enheden kan derfor betjenes enten som en varmepumpe eller som køleskab.

Men det, der lyder så enkelt, viser sig at være svært og komplekst at implementere. Ingeniørerne ved Saarland Universitet og på Zema (Center for Mekatronik og Automationsteknologi) i Saarbrücken har brugt en årrække på at arbejde med problemet i forskellige projekter, herunder det DFG-finansierede prioritetsprogram "Ferroic Cooling". Ved hjælp af en kombination af eksperimentelle undersøgelser og numerisk modellering kunne de identificere, hvordan man kan maksimere effektiviteten af ​​den underliggende mekanisme, det trådbelastningsniveau, der er nødvendigt for at opnå en bestemt grad af køling, den ideelle rotationshastighed og hvor mange nitinoltråde der skal inkluderes i et bundt. "Jo større overfladeareal, jo hurtigere varmeoverførsel, derfor giver bundter af ledninger de bedste kølekapaciteter, "forklarer Susanne-Marie Kirsch." Vi bruger et termisk billedkamera til at analysere præcist, hvordan opvarmnings- og køletrinene forløber. "Som et resultat af deres forskningsarbejde, ingeniørteamet har nu en række parametre, som de kan justere for at skræddersy deres system til at opfylde forskellige behov. "Vi har taget de opnåede resultater hidtil og har udviklet et softwareprogram, der giver os mulighed for præcist at indstille vores varme- og køleteknologi på en computer til bestemte applikationer. Når computermodelleringen og planlægningen er afsluttet, systemet kan derefter bygges, "forklarer Kirsch.

Denne grundforskning kan meget vel have interessante industrielle anvendelser, fordi den nye varme- og køleteknologi udviklet i Saarbrücken er yderst effektiv. Afhængigt af den anvendte legering, systemets varme- eller køleeffekt er op til tredive gange større end den mekaniske effekt, der kræves for at indlæse og aflæse legeringstrådbundterne. Det gør allerede det nye system mindst dobbelt så godt som en konventionel varmepumpe og tre gange bedre end et konventionelt køleskab. "Vores nye teknologi er også miljøvenlig og skader ikke klimaet, da varmeoverførselsmekanismen ikke bruger væsker eller dampe. Så luften i et klimaanlæg kan køles direkte uden behov for en mellemliggende varmeveksler, og vi behøver ikke bruge lækagefri, højtryksrør, "forklarer professor Seelecke.

Teamet arbejder i øjeblikket på yderligere optimering af varmeoverførsel i systemet for at øge effektiviteten af ​​den nye teknologi endnu mere. "Vores mål er at komme til et stadie, hvor næsten al energien fra faseovergangen bruges til opvarmning eller køling, ”siger doktorand Felix Welsch.