Het kan worden gebruikt om de lucht in een ruimte te koelen of te verwarmen of om vloeistoffen te koelen of te verwarmen. En het ziet eruit als iets dat Q, de tech-specialist en gadgeteer in de James Bond-films, heeft bedacht. Het prototype apparaat, die is ontwikkeld door een onderzoeksteam onder leiding van professoren Stefan Seeecke en Andreas Schütze van de Universiteit van Saarland, kan warmte overdragen met behulp van 'spieren' gemaakt van nikkel-titanium. Nikkel-titanium of nitinol, zoals het vaak bekend is, is een vormgeheugenmateriaal dat warmte afgeeft aan zijn omgeving wanneer het mechanisch wordt belast in zijn superelastische staat en warmte van zijn omgeving absorbeert wanneer het wordt gelost. Deze ongebruikelijke eigenschap is de reden waarom nitinol ook wel een 'slimme legering' of als 'spierdraad' wordt genoemd. efficiënter dan conventionele verwarmings- en koelapparaten.

De Europese Commissie en het Amerikaanse ministerie van Energie hebben beide het nieuwe proces beoordeeld en beschouwen het als de meest veelbelovende alternatieve technologie voor bestaande dampcompressiekoelsystemen.

Het team van ingenieurs uit Saarbrücken exposeert hun technologie dit jaar op de Hannover Messe van 1 tot 5 april op de Saarland Research and Innovation Stand (hal 2, Stand B46).

De regels zijn duidelijk genoeg:om iets af te koelen, je moet er warmte van verwijderen. En om iets op te warmen, thermische energie moet worden geleverd. Het prototypesysteem dat de ingenieurs van de Universiteit van Saarland hebben ontwikkeld, doet beide dingen. Maar hun systeem transporteert warmte met behulp van een nieuwe methode die de problemen en nadelen van conventionele verwarmings- en koelsystemen vermijdt. "Ons systeem doet het zonder de conventionele koudemiddelen die zo schadelijk zijn voor het milieu, " legt professor Andreas Schütze van de Universiteit van Saarland uit - een expert op het gebied van sensor- en meettechnologie.

Het onderliggende principe is eenvoudig en houdt in wezen in dat een bepaalde vormgeheugenlegering (SMA) - in dit geval nikkel-titanium - wordt onderworpen aan gecontroleerde laad- en loscycli. "De resulterende faseovergangen die optreden in het kristalrooster van de legering geven latente warmte af of absorberen latente warmte, afhankelijk van in welk deel van de cyclus het materiaal zich bevindt, " zegt professor Stefan Seelecke, die de leerstoel Intelligent Material Systems bekleedt aan de Universiteit van Saarland. Dit effect is vooral uitgesproken bij draden van nikkel-titanium. "Wanneer voorgespannen nitinoldraden worden gelost bij kamertemperatuur, ze koelen tot wel 20 graden af, " zegt Felix Welsch, die als onderdeel van zijn promotieonderzoek aan het prototype heeft gewerkt, samen met zijn teamcollega Susanne-Marie Kirsch. Dit fenomeen maakt het mogelijk om warmte uit het systeem te verwijderen. "Als de draden mechanisch worden belast, warmen ze ongeveer even veel op, zodat het proces ook als warmtepomp kan worden gebruikt, ", legt Wels uit.

Het prototype is de eerste continu werkende machine die via dit proces lucht koelt. Het team heeft een nokkenaandrijving (patent aangevraagd) ontworpen en ontwikkeld waarvan de rotatie ervoor zorgt dat bundels van 200 micron dikke nitinoldraden afwisselend worden geladen en gelost op een zodanige manier dat de warmte zo efficiënt mogelijk wordt overgedragen. In twee aparte kamers wordt lucht door de vezelbundels geblazen:in één kamer wordt de lucht verwarmd, in de andere wordt gekoeld. Het apparaat kan dus zowel als warmtepomp of als koelkast worden gebruikt.

Maar wat zo eenvoudig klinkt, blijkt moeilijk en complex te zijn om te implementeren. De ingenieurs van de Universiteit van Saarland en van Zema (Centrum voor Mechatronica en Automatiseringstechnologie) in Saarbrücken hebben een aantal jaren aan het probleem gewerkt in verschillende projecten, inclusief het door DFG gefinancierde prioriteitsprogramma "Ferroic Cooling". Met behulp van een combinatie van experimenteel onderzoek en numerieke modellering waren ze in staat om te identificeren hoe de efficiëntie van het onderliggende mechanisme kon worden gemaximaliseerd, het draadbelastingsniveau dat nodig is om een ​​bepaalde mate van koeling te bereiken, de ideale rotatiesnelheid en hoeveel nitinoldraden er in een bundel moeten zitten. "Hoe groter de oppervlakte, hoe sneller de warmteoverdracht, daarom bieden bundels draden de beste koeling, " legt Susanne-Marie Kirsch uit. "We gebruiken een warmtebeeldcamera om precies te analyseren hoe de verwarmings- en koelfasen verlopen." Als resultaat van hun onderzoekswerk, het engineeringteam heeft nu een reeks parameters die ze kunnen aanpassen om hun systeem aan te passen aan verschillende behoeften. "We hebben de tot nu toe verkregen resultaten genomen en een softwareprogramma ontwikkeld waarmee we onze verwarmings- en koeltechnologie op een computer nauwkeurig kunnen afstemmen op specifieke toepassingen. Zodra de computermodellering en -planning is voltooid, het systeem kan dan worden gebouwd, ", legt Kirsch uit.

Dit basisonderzoek heeft wellicht interessante industriële toepassingen, omdat de nieuwe verwarmings- en koeltechnologie die in Saarbrücken is ontwikkeld, zeer efficiënt is. Afhankelijk van de gebruikte legering, het verwarmings- of koelvermogen van het systeem is tot dertig keer groter dan het mechanische vermogen dat nodig is om de legeringsdraadbundels te laden en te lossen. Dat maakt het nieuwe systeem al minstens twee keer zo goed als een conventionele warmtepomp en drie keer beter dan een conventionele koelkast. "Onze nieuwe technologie is ook milieuvriendelijk en schaadt het klimaat niet, omdat het warmteoverdrachtsmechanisme geen vloeistoffen of dampen gebruikt. Zo kan de lucht in een airconditioningsysteem direct worden gekoeld zonder dat een tussenwarmtewisselaar nodig is, en we hoeven niet lekvrij te gebruiken, hogedrukleidingen, ", legt professor Seelecke uit.

Het team werkt momenteel aan het verder optimaliseren van de warmteoverdracht binnen het systeem om de efficiëntie van de nieuwe technologie nog meer te verhogen. "Ons doel is om een ​​stadium te bereiken waarin bijna alle energie van de faseovergang wordt gebruikt voor verwarming of koeling, ", zegt promovendus Felix Welsch.