Stromfreie Festkörperkühlung: Aus Wärme wird Kälte
Ob Kühlschrank, Klimaanlage oder Rechenzentrum: Kühlung benötigt weltweit enorme Mengen Energie. Gleichzeitig wächst der Bedarf weiter, etwa durch die zunehmende Digitalisierung und steigende Temperaturen. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Tsukuba in Japan geht deshalb einen ungewöhnlichen Weg: Statt Strom zu verwenden, soll Wärme selbst zum Antrieb einer Kühlung werden.
Der Schlüssel sind zwei hauchdünne Folien aus Nickel-Titan. Sie übernehmen gemeinsam zwei Aufgaben: Die eine wandelt Wärme in mechanische Bewegung um, die andere verwandelt diese Bewegung in Kälte.
Die Idee basiert auf der sogenannten elastokalorischen Kühlung. Dabei können bestimmte Formgedächtnislegierungen ihre Temperatur verändern, wenn sie mechanisch belastet und anschließend wieder entlastet werden. Das Verfahren gilt als interessante Alternative zu konventionellen Kühlsystemen, die mit Kompressoren und Kältemitteln arbeiten.
Bisher hatte die Technologie allerdings einen entscheidenden Haken: Die notwendige mechanische Bewegung musste meist von einem elektrisch betriebenen Aktor erzeugt werden.
Genau diesen Strombedarf wollen die Forschenden umgehen.
Die erste Nickel-Titan-Folie nutzt einen Formgedächtniseffekt. Wird sie erwärmt, zieht sie sich zusammen und erzeugt dadurch mechanische Arbeit. Diese Bewegung wird direkt auf die zweite Folie übertragen. Dort sorgen wiederholtes Be- und Entlasten für Veränderungen in der Kristallstruktur der Legierung – und damit für einen messbaren Kühleffekt.
„Die entscheidende Neuerung ist, dass wir zwei komplementäre Funktionen von Formgedächtnislegierungen kombinieren“, erklärt Dr. Jingyuan Xu vom ZEco Thermal Lab des KIT. Eine Folie wandle dabei Wärme in mechanische Arbeit um, während die zweite diese Arbeit in Kälte umsetze.
Dass das Prinzip tatsächlich funktioniert, konnte das Team experimentell zeigen. Bei einer Temperatur von 86 Grad Celsius auf der Seite des thermischen Aktors erreichte der Prototyp auf Bauteilebene einen Temperaturunterschied von rund vier Grad Celsius. Das elastokalorische Material selbst zeigte dabei eine Temperaturänderung von knapp 13 Grad Celsius.
Auch mit einer externen Wärmequelle von 130 Grad Celsius arbeitete das System zuverlässig.
Damit ist zunächst vor allem eines bewiesen: Wärme kann tatsächlich als Antrieb für eine Festkörperkühlung dienen.
„Für uns war der entscheidende Moment, zum ersten Mal messbare Kälte zu sehen, die tatsächlich von einem wärmegetriebenen System erzeugt wurde“, sagt Erstautorin Yi-Ting Hsiau.
Besonders interessant wird das Verfahren dort, wo Wärme ohnehin vorhanden ist. Industrielle Anlagen, Motoren, Rechenzentren oder andere technische Systeme produzieren große Mengen Abwärme, die häufig ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird.
Künftig könnte diese Wärme zumindest teilweise direkt für Kühlprozesse eingesetzt werden. Auch Solarwärme kommt als Antriebsquelle infrage.
Die möglichen Anwendungen reichen daher von der Elektronikkühlung bis zur Mobilität. Denkbar wäre beispielsweise, Prozessoren in Computern mit der eigenen Abwärme zu kühlen. Auch empfindliche Elektronik in Fahrzeugen könnte Wärme aus dem Antriebsstrang als Energiequelle für die Kühlung nutzen.
Von einem marktreifen Kühlsystem ist die Technologie allerdings noch entfernt. Der aktuelle Prototyp ist in erster Linie eine Machbarkeitsstudie. Die Kühlleistung soll in den nächsten Entwicklungsschritten deutlich gesteigert werden.
Dazu wollen die Forschenden mehrere Folien parallel einsetzen. Gleichzeitig gilt es, die Wärmeübertragung, die mechanische Bewegung und die Lebensdauer der Materialien für einen praktischen Einsatz zu optimieren.
Der Ansatz könnte dennoch einen interessanten neuen Weg für eine nachhaltigere Kühlung eröffnen: Nicht Strom treibt die Kühlung an, sondern Wärme, die andernorts ohnehin anfällt.
Die Studie wurde in Nature Energy veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41560-026-02122-6). Die Forschung entstand in Kooperation mit der Universität Tsukuba und wurde unter anderem von der Carl-Zeiss-Stiftung, der Baden-Württemberg-Stiftung und der Hector Fellow Academy unterstützt.
