Verdrehtes Kühlverfahren - wissenschaft.de
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Verdrehtes Kühlverfahren

Beim Übergang vom verdrehten zum entspannten Zusand kühlt sich dieses Gummiband ab. (Bild: University of Texas at Dallas)

Kühlen mit Gummiband, Angelschnur oder Metallkabel: Forscher berichten über einen buchstäblich coolen Effekt, der beim Entspannen von zuvor verdrehten Fasern entsteht: Während beim Eindrehen Wärme frei wird, kühlt sich das Gebilde beim Aufdrehen deutlich ab. Dieser Temperaturabfall lässt sich nutzen, wie sie anhand eines kleinen Geräts zur Wasserkühlung demonstrieren. Ihnen zufolge hat das Konzept Anwendungspotenzial in der Kühltechnik und darüber hinaus.

In jeder Wohnung summt ein Kühlschrank… In den meisten dieser Geräte sorgt ein Kompressor für den Kühleffekt im Inneren: Über ein Kreislaufsystem, bei dem ein Gas sich verflüssigt und verdampft, wird dem Inneren des Kühlschranks letztlich Wärme entzogen und nach außen abgeführt. Prinzipiell funktionieren auch Klimaanlagen auf diese Weise.

Es handelt sich bei diesem Standardverfahren allerdings um ein energieaufwendiges Konzept: Schätzungen zufolge verbrauchen Kälteanlagen rund 20 Prozent der weltweiten elektrischen Energie – aufgrund des Klimawandels mit steigender Tendenz. Ein weiteres Problem sind die gasförmigen Kältemittel in Kühlschrank und Co, die bei Entweichen zum Treibhauseffekt beitragen. Das bedeutet: Kühltechnologien mit günstigeren Eigenschaften sind gefragt. Vor diesem Hintergrund präsentieren die Forscher um Ray Baughman von der University of Texas in Dallas nun ihr „Twist-Kühlungs-Verfahren“.

Twistokalorische Kühlung

Seit dem 19. Jahrhundert ist bereits bekannt, dass sich beispielsweise ein Gummiband bei Dehnung erwärmt und sich wiederum abkühlt, wenn es entspannt wird. Dieser Effekt wird als elastokalorische Kühlung bezeichnet. Eine Nutzung erscheint aber wenig praktikabel: „Um eine starke Abkühlung bei einem Gummiband zu erzielen, muss eine sehr große Dehnung freigesetzt werden“, erklärt Baughman. Doch wie er und seine Kollegen nun zeigen konnten, muss man nicht unbedingt ziehen und dann entspannen – verdrehen und anschließend wieder aufdrehen funktioniert auch. Sie bezeichnen diesen Effekt nun als twistokalorische Kühlung. Aufmerksam wurden sie auf den Effekt im Rahmen ihrer Entwicklung von künstlichen Muskeln, die auf verdrillten Fasersystemen basieren, die sich an- und entspannen können.

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Im Rahmen ihrer Studie haben sie zunächst mit Gummifasern experimentiert. Sie verdrillten sie, bis sie einen „superverdrehten“ Zustand erreichten. Dabei wird das
Material warm – bei der anschließenden Freisetzung allerdings kalt: Ihre Messungen zeigten, dass ein schnelles Aufdrehen zu einer Abkühlung der Oberfläche des Materials von 15,5 Grad Celsius führt. Wenn sie sowohl die Verdrehung als auch eine zusätzliche Dehnung des Gummis freisetzten, wurde sogar eine Abkühlung von 16,4 Grad erreicht. Wie weitere Experimente zeigten, funktioniert das Prinzip auch mit Angelschnur: Bei Verdrehung bildet dieses nicht elastische Polymermaterial eine Art Spulen-Struktur. Die anschließende Freisetzung aus dieser Formation erzeugte eine Abkühlung von 5,1 Grad Celsius.

Potenzial für Anwendungen

Den besten Effekt erreichten die Wissenschaftler allerdings bei der Verwendung von verdrehten Bündeln aus Nickel-Titan-Drähten. Das Aufdrehen führte bei diesem Material zu einer Abkühlung der Oberfläche von 20,8 Grad Celsius. Nutzen lässt sich dieser Effekt, wenn die zuvor beim Eindrehen freigewordene Wärme abgeführt wird. Zur Demonstration der Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens setzten die Wissenschaftler ein Nickel-Titan-Drahtkabel in einem kleinen Gerät ein. Bei der Freisetzung der Drehung war es in der Lage, einen Wasserstrahl deutlich abzukühlen, berichten die Forscher.

Was die Umsetzung in praktische Anwendungen betrifft, ist nun allerdings noch einige Arbeit nötig, räumen sie ein. „Auf dem Weg zur Kommerzialisierung der Twist-Kühlung gibt es viele Möglichkeiten aber auch Herausforderungen“, sagt Baughman.Vor allem müssen demnach twistokalorische Materialien entwickelt werden, die den mechanischen Belastungen beim wiederholten Drehen und Aufdrehen dauerhaft standhalten können.

Neben der Kühltechnik könnte das Konzept allerdings auch in einem anderen Anwendungsfeld zum Einsatz kommen, wie weitere Versuche der Forscher nahelegten: Sie haben die verschiedenen Fasertypen mit speziellen Beschichtungen versehen, die ihre Farbe als Reaktion auf die Temperaturschwankungen ändern, die durch das Verdrillen der Fasern oder das Strecken hervorgerufen werden. Solche Fasern könnten für fernlesbare Dehnungs- und Verdrehungssensoren sowie für farbverändernde Textilien für Kleidung verwendet werden, sagen die Wissenschaftler.

Quelle: University of Texas at Dallas, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.aax6182

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