Новая технология, которая теперь интегрирована в прототип небольшого компактного холодильника, основана на невероятно простом принципе: тепло отводится из помещения путем протягивания проводов и их повторного отвода. Известные как "искусственные мышцы", провода с памятью формы, изготовленные из сверхэластичного нитинола, поглощают тепло в камере охлаждения и выделяют его во внешнюю среду. "Наш эластокалорический процесс позволяет нам достигать перепадов температур около 20 градусов Цельсия без использования вредных для климата хладагентов гораздо более энергоэффективным способом, чем современные традиционные технологии", - объясняет профессор Стефан Зелеке, который проводит исследования в Саарландском университете и Саарбрюккенском центре мехатроники и автоматизации (ZeMa).

Эффективность эластокалорийных материалов более чем в десять раз превышает эффективность современных систем кондиционирования воздуха или холодильников. Министерство энергетики США и Комиссия ЕС объявили технологию охлаждения, разработанную в Саарбрюккене, наиболее перспективной альтернативой существующим процессам. Он может отводить тепло из гораздо больших пространств, чем небольшая холодильная камера, которую инженеры сейчас используют для демонстрации эластокалорики на Ганноверской выставке. И он также может обеспечивать теплом гораздо большие помещения. Передача тепла по сверхэластичным проводам также подходит для систем отопления. Учитывая изменение климата, нехватку энергии и растущий спрос на охлаждение и отопление, этот процесс представляет собой весьма многообещающее решение на будущее.

Для переноса тепла исследователи используют особую "сверхспособность" искусственных мышц, изготовленных из нитинола: память формы. Провода, изготовленные из этого сплава, запоминают свою первоначальную форму и возвращаются к ней после того, как они были деформированы или растянуты. Подобно сгибанию мышц, они могут становиться длинными, а затем снова короткими, а также способны напрягаться и расслабляться. Причина этого кроется глубоко внутри нитинола, который имеет две кристаллические решетки - две фазы, которые могут переходить друг в друга. В отличие от воды, фазы которой являются твердой, жидкой и газообразной, две фазы нитинола являются твердыми. Во время этих фазовых переходов кристаллической структуры провода поглощают тепло и снова выделяют его: "Материал с памятью формы выделяет тепло, когда он растягивается в сверхупругом состоянии, и поглощает тепло, когда оно высвобождается", - объясняет профессор Пол Моцки, который является межведомственным профессором в Саарландском университете и ZeMa., где он возглавляет исследовательскую группу по интеллектуальным материальным системам. Эффект усиливается, если многочисленные провода соединены вместе - из-за большей площади их поверхности они поглощают и выделяют больше тепла.

Хотя принцип на первый взгляд может показаться очень простым, исследовательские вопросы, которые необходимо решить для построения контура охлаждения, очень сложны. В мини-холодильнике, который исследовательская группа в настоящее время представляет в Ганновере, специально разработанный запатентованный кулачковый привод непрерывно вращает пучки нитиноловых проволок толщиной 200 микрон вокруг круглой холодильной камеры: "Когда они движутся по кругу, они механически загружаются с одной стороны, то есть растягиваются, и выгружаются с другой. другой", - объясняет аспирант Лукас Эль, который работает над системой охлаждения. Воздух направляется мимо вращающихся жгутов в камеру охлаждения, где провода разгружаются и поглощают тепло из воздуха. Затем воздух непрерывно циркулирует вокруг незагруженных проводов в камере охлаждения. Продолжая вращаться, провода отводят тепло из охлаждающей камеры и выделяют его, когда вытягиваются за пределы охлаждающей камеры. "При использовании этого метода холодильная камера охлаждается примерно до 10-12 градусов Цельсия", - говорит студент Николас Шерер, который проводит исследования в рамках проекта в рамках своей магистерской диссертации.

Инженеры из Саарбрюккена исследуют, как привод поддерживает провода в постоянном движении, как выглядят воздушные потоки, каким образом процессы наиболее эффективны, сколько проводов необходимо скрутить, насколько сильно они в идеале должны быть растянуты для достижения определенного уровня охлаждения и многое другое. Они также разработали программное обеспечение, которое позволяет им настраивать технологию нагрева и охлаждения для различных применений, а также моделировать и планировать системы охлаждения. И они исследуют весь цикл, начиная с производства материалов и их вторичной переработки и заканчивая производством.

Холодильники - это только начало. "Мы хотим использовать инновационный потенциал эластокалорики в широком спектре применений, таких как промышленное охлаждение, охлаждение электромобилей для развития электронной мобильности, а также бытовой техники", - объясняет Пол Моцки.

Новая технология является результатом более чем десятилетних исследований в рамках нескольких исследовательских проектов стоимостью в миллион евро и многочисленных докторских диссертаций, отмеченных наградами. Финансирование проекта частично поступило от ЕС и Немецкого исследовательского фонда (DFG). Федеральное министерство образования и научных исследований инвестирует в этот департамент более 17 миллионов евро!Проект Saar, в рамках которого исследователи сотрудничают с другими исследовательскими институтами и промышленными партнерами. Цель состоит в том, чтобы создать новые форматы передачи технологий и ускорить выход на рынок. В рамках нескольких исследовательских проектов и докторских диссертаций инженеры также разработали демонстратор охлаждения и обогрева, который работает непрерывно и показывает, как эластокалорика может охлаждать и нагревать воздух.

На Ганноверской выставке специалисты по интеллектуальным материальным системам из Саарбрюккена также продемонстрируют универсальность своей технологии с памятью формы в виде интеллектуальных миниатюрных приводов, энергоэффективных роботизированных захватов и мягких роботизированных рук в форме слоновьих хоботов.