Forscher entwickeln 3D-Drucklegierung für umweltfreundlichere Kühlschränke

Ein internationales Wissenschaftler-Team forscht an einer 3D-gedruckten Metalllegierung, die Kühlsysteme, wie sie in Kühlschränken verwendet werden, umweltfreundlicher und effizienter machen soll.

In dem Artikel “Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing“, welcher im Fachmagazin Science erschienen ist, erklärt das Forscherkonsortium ihre Arbeit. Das Team besteht aus Wissenschaftler aus den USA und China.

Das aus einer Kombination von Nickel und Titan hergestellte Material ist eine Art Formgedächtnislegierung, die sich wiederholt umwandeln kann, um Wärme aus einem System herauszupumpen. In der Vergangenheit war es so, dass bei solchen Legierungen nach einer geringen Anzahl von Zyklen das System versagt hat. Mit Hilfe von 3D-Druck konnte das Team jedoch Mikrostrukturen von Teilen erstellen, die Zyklen millionenfach durchgeführt werden können, ohne die Kühlleistung zu beeinträchtigen. Das Verfahren wird “Solid-state Elastocaloric Cooling” (“elastokalorische Festkörperkühlung”) genannt und hat das Potential den Markt von Kühlungssystemen zu transformieren.

In Kühlschränken werden derzeit überwiegend Kompressionskältemaschinen genutzt, welche ursprünglich im 19. Jahrhundert erfunden wurden. Bei der Kühlung werden Kältemittel verwendet, die verdampfen und wieder verflüssigt werden. Obwohl es sich hierbei um eine zuverlässige Kühlmethode handelt, hat die Kompressionskältemaschine einen großen Nachteil. Viele Kältemittel, die eingesetzt werden, schädigen die Umwelt. Auch Alternativflüssigkeiten, die mittlerweile primär eingesetzt werden, verbleiben jahrelang nach Gebrauch in der Atmosphäre.

Um die schädlichen Auswirkungen von Kühlflüssigkeiten zu beseitigen, haben Forscher begonnen, nach alternativen Kühlungen zu suchen. Hierbei stellte sich auch die Kalorische Kühlung als eine mögliche Alternative heraus. Das US-Energieministerium (DoE), der US-Bundesstaat Iowa und das Ames Laboratory haben das CaloriCool-Konsortium ins Leben gerufen, um Materialien zur Energieumwandlung für die industrielle Anwendung zu entwickeln. Diese jüngste Forschung baut auf dem gemeinsamen Wissen dieser Gruppe auf.

Bei der kalorischen Kühlung gibt es drei Arten von Technologien, magnetokalorisch, elektrokalorisch und elastokalorisch, die sich jeweils auf die Druckquelle beziehen, die auf ein Material ausgeübt wird, das magnetisch, spannungsabhängig bzw. elektrisch ist. Alle diese Methoden kommen ohne die Verdampfung von Flüssigkeiten aus.

Die neue Nickel-Titan-Legierung ist hierbei ein elastokalorisches Material, das auf Druck reagiert. Es wurde vom Team durch Mischen von Metallpulvern in einem L-DED-Prozess erstellt, wobei Nanokomposite in gedruckten Objekten hergestellt wurden, die die mechanische Integrität verbesserten. Unter Druck übertraf das Material die Leistung anderer elastokalorischer Materialien bei weitem.