Duurzame airconditioning met ‘kunstmatige spieren’ (video)

Het team van Seeelecke ontwikkelt 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.

"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", zegt Seelecte.

De Europese Commissie en het Amerikaanse ministerie van Energie hebben beide het proces geëvalueerd en beschouwen het als het meest veelbelovende alternatief voor de dampcompressiekoeltechnologie die tegenwoordig wordt gebruikt.

De kunstmatige spiervezels zijn samengesteld uit bundels ultrafijne vormgeheugendraden gemaakt van de nikkel-titaniumlegering ‘nitinol’. Deze draden hebben de bijzondere eigenschap dat ze na uitrekken of anderszins vervormen terugkeren naar hun vroegere vorm. 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 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’, zegt Seelecke, die de leerstoel Intelligente materiaalsystemen bekleedt.

"We gebruiken deze eigenschap om warmte af te voeren", zegt promovendus Susanne-Marie Kirsch. "Het basisidee is om voorgespannen, superelastische vormgeheugendraden te laten ontspannen en zo de ruimte te koelen door er warmte uit te halen." De warmte die door de draden wordt opgenomen, wordt vervolgens extern afgegeven wanneer de draden in de omgeving opnieuw worden belast. 

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, warmen ze zo’n 20 graden op, zodat het proces ook als warmtepomp kan worden gebruikt", legt promovendus Felix Welsch uit. Afhankelijk van de gebruikte legering is het verwarmings- of koelvermogen van deze nieuwe technologie is tot dertig keer groter dan het mechanische vermogen dat nodig is om de gelegeerde draadbundels te laden en te lossen. "Dat maakt het nieuwe systeem aanzienlijk beter dan de momenteel beschikbare warmtepompen en conventionele koelkasten."