Meetbare koeling uit warmte kan oplossing vormen voor datacentra en gebouwen

Warmte gebruiken om iets koud te maken klinkt tegenstrijdig. Een prototype van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Japanse Universiteit van Tsukuba zet warmte eerst om in beweging en gebruikt die beweging vervolgens om een materiaal af te koelen. Met het nieuwe principe zou een deel van de restwarmte van processoren gebruikt kunnen worden om het bijbehorende koelsysteem aan te drijven.

De techniek is een nieuwe vorm van elastocalorische koeling. Daarbij wordt gebruikgemaakt van materialen die van temperatuur veranderen wanneer ze mechanisch worden belast en weer ontlast. Dergelijke systemen worden onderzocht als alternatief voor traditionele koelkasten en airconditioners, die werken met compressoren en koudemiddelen. Voor het uitrekken of samendrukken van het elastocalorische materiaal was tot op heden een elektrisch aangedreven actuator nodig. De onderzoekers hebben die elektrische tussenstap vervangen door warmte.

Het systeem bestaat uit twee ultradunne folies van nikkel-titanium, een legering met vormgeheugen. Beide folies benutten eigenschappen van hetzelfde type materiaal, maar vervullen een andere functie. De eerste folie fungeert als actuator. Zodra deze wordt verwarmd, verandert de kristalstructuur en trekt het materiaal samen. Thermische energie wordt zo rechtstreeks omgezet in mechanische beweging. Die beweging wordt overgebracht op de tweede folie. Deze wordt daardoor cyclisch belast en ontlast. Ook daarin verandert de kristalstructuur, maar hier wordt het effect gebruikt om warmte aan de omgeving te onttrekken. Het resultaat is koeling.

De onderzoekers combineren daarmee twee omzettingsstappen: warmte wordt beweging, en beweging wordt koude. Het systeem kan hierdoor in principe worden aangedreven met warmte die anders verloren zou gaan, bijvoorbeeld restwarmte uit machines of zonnewarmte.

Koelprincipe blijft functioneren

In het laboratorium hebben de onderzoekers aangetoond dat het principe daadwerkelijk werkt. Bij een actuatortemperatuur van 86 °C ontstond op componentniveau een temperatuurverschil van 4 °C. Het elastocalorische materiaal zelf liet daarbij een temperatuurverandering van bijna 13 °C zien. Vervolgens werd het systeem aangesloten op een externe warmtebron van 130 °C. Ook daarmee bleef het koelprincipe functioneren. Dat is belangrijk omdat dergelijke temperaturen ook bij praktische bronnen van restwarmte kunnen voorkomen.

Op grotere schaal kan het principe interessant worden. De vraag naar koeling voor gebouwen, datacenters en industriële installaties neemt toe, terwijl conventionele koeltechnieken veel elektriciteit gebruiken. Bovendien maken veel systemen gebruik van koudemiddelen die bij lekkage een sterk broeikaseffect kunnen hebben.