Een nieuw type energie-efficiënte, ecologisch duurzame koeltechnologie die geen gebruik van klimaatschadelijke koelmiddelen vereist, wordt momenteel ontwikkeld door professor Stefan Seelecte en zijn team aan de Universiteit van Saarland. De nieuwe technologie maakt gebruik van vormgeheugenmaterialen die ook wel ‘kunstmatige spieren’ worden genoemd. Deze materialen kunnen warmte transporteren door nikkel-titaniumdraden te laden en te lossen. Het team van Seeelecke ontwikkelt momenteel de technologie voor gebruik in koelsystemen voor elektrische voertuigen. De onderzoekers hebben hun technologie gepresenteerd op de Hannover Messe, met ’s werelds eerste machine die lucht kan koelen door kunstmatige spieren te buigen.
Van de eenvoudige koelkast en airconditioner tot complexe koelsystemen voor gebruik in industriële processen, koel blijven is een belangrijk onderdeel van de huidige samenleving. Door de opwarming van de aarde en een groeiende wereldbevolking zal de behoefte aan energiezuinige koelsystemen alleen maar groter worden. Maar lage temperaturen betekenen doorgaans een hoog elektriciteitsverbruik, wat op zijn beurt meestal een grote ecologische voetafdruk betekent en het risico van uitstoot van koelgassen die vaak een hoog aardopwarmingsvermogen hebben. Een onderzoeksteam van academische en industriële partners onder leiding van professor Stefan Seelecke van de Universiteit van Saarland en het Centrum voor Mechatronica en Automatiseringstechnologie (ZeMA) ontwikkelt momenteel een milieuvriendelijk koelsysteem.
“Ons proces is energiezuinig en vereist geen gebruik van koudemiddelen die schadelijk zijn voor het klimaat. Onze technologie is zelfs tot 15 keer efficiënter dan systemen op basis van conventionele koudemiddelen”, legt Stefan Seelecte uit. De Europese Commissie en het Amerikaanse ministerie van Energie hebben beide het nieuwe proces geëvalueerd en beschouwen het als het meest veelbelovende alternatief voor de dampcompressie-koeltechnologie die momenteel wordt gebruikt.
Het team van Seeelecke heeft ’s werelds eerste continu werkende prototype ontwikkeld dat lucht koelt met behulp van dit nieuwe proces. De koeltechnologie die het team dit jaar op de Hannover Messe demonstreert, maakt gebruik van kunstmatige spiervezels die zijn samengesteld uit bundels ultrafijne vormgeheugendraden gemaakt van de nikkel-titaniumlegering “nitinol”. Deze draden hebben de speciale eigenschap dat ze terugkeren naar hun vroegere vorm na uitgerekt of anderszins vervormd te zijn. Ze kunnen dus spannen en ontspannen als menselijke spieren.
De reden voor dit gedrag is te vinden in de structuur van de metaallegering. De atomen in de legering zijn gerangschikt in een kristalroosterstructuur. Als de nikkel-titaniumdraad wordt vervormd of onder spanning wordt getrokken, bewegen de atomenlagen in het roosterkristal ten opzichte van elkaar, waardoor er spanning in het materiaal ontstaat. Deze spanning komt vrij wanneer de draad terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm. Deze veranderingen in de kristalstructuur van het materiaal staan bekend als faseovergangen en ze zorgen ervoor dat de draden warmte absorberen of afgeven.
Het is dit effect dat Seelecke en zijn team benutten in hun nieuwe koelsysteem. “Het materiaal met vormgeheugen geeft warmte af aan zijn omgeving wanneer het mechanisch wordt belast in zijn superelastische toestand en neemt warmte van zijn omgeving op wanneer het wordt gelost. En dit effect is vooral uitgesproken in het geval van nitinol. Wanneer voorgespannen nitinoldraden worden Als ze bij kamertemperatuur worden gelost, koelen ze tot wel 20 graden af”, legt Stefan Seeecke uit, die de leerstoel Intelligent Material Systems aan de Universiteit van Saarland bekleedt.
“We exploiteren deze eigenschap om warmte af te voeren”, zegt Susanne-Marie Kirsch, die hielp bij de ontwikkeling van het koelsysteem als onderdeel van haar promotieonderzoek. “Het basisidee is om voorgespannen, superelastische draden met vormgeheugen te laten ontspannen en zo de ruimte te koelen door er warmte uit te halen”, legt Kirsch uit. De warmte die door de draden met vormgeheugen wordt opgenomen, wordt vervolgens extern afgegeven wanneer de draden in de omgeving opnieuw worden gespannen.
Het koelsysteem van Saarbrücken is echter aanzienlijk complexer. Het team heeft een koelcircuit ontworpen en ontwikkeld waarin een nokkenaandrijving, waarvoor patent is aangevraagd, zo roteert dat bundels van 200 micron dikke nitinoldraden afwisselend worden uitgerekt en ontspannen zodat de warmte zo efficiënt mogelijk wordt overgedragen. In twee aparte kamers wordt lucht door de draadbundels geblazen: in de ene kamer wordt de lucht verwarmd, in de andere gekoeld. Hierdoor kan de machine koelen en verwarmen.
“Als de draden mechanisch worden belast, worden ze zo’n 20 graden warmer, zodat het proces ook als warmtepomp kan worden gebruikt”, legt Felix Welsch uit, die in het kader van zijn doctoraat ook aan het prototypesysteem werkte. Afhankelijk van de gebruikte legering is het verwarmings- of koelvermogen van deze nieuwe technologie tot dertig keer groter dan het mechanische vermogen dat nodig is om de legeringsdraadbundels te laden en te lossen. Dat maakt het nieuwe systeem beduidend beter dan de momenteel beschikbare warmtepompen en conventionele koelkasten.