Eine neue Generation von Klimatechnik verspricht Kühlung ganz ohne die klimaschädlichen Gase heutiger Geräte. Statt eines flüchtigen Kältemittels arbeiten dünne Drähte und Bleche aus einer Formgedächtnislegierung, die beim Verformen Wärme abgeben und beim Entlasten Kälte erzeugen. Fachleute halten die elastokalorische Kühlung inzwischen für den aussichtsreichsten Ersatz des Kompressorprinzips, das seit über hundert Jahren die Kältetechnik dominiert. Erste Prototypen aus deutschen Laboren kühlen bereits Luft und Wasser, und die Technik soll in wenigen Jahren marktreif werden.
Kälte ist physikalisch betrachtet nichts anderes als abwesende Wärme. Wer einen Raum kühlt, muss dieser Umgebung Wärme entziehen und sie an anderer Stelle wieder abgeben. Fast alle heutigen Kühlschränke, Klimaanlagen und Kühlhäuser lösen diese Aufgabe mit dem Kompressorprinzip, bei dem ein verdampfendes und wieder verdichtetes Kältemittel die Wärme transportiert. Genau diese Kältemittel gelten jedoch als Problem, denn viele von ihnen besitzen ein hohes Treibhauspotenzial, sind teils brennbar und werden in der Europäischen Union zunehmend reguliert oder verboten. Die elastokalorische Kühlung verfolgt einen grundlegend anderen Weg. Sie nutzt den sogenannten elastokalorischen Effekt einer Formgedächtnislegierung aus Nickel-Titan, die beim mechanischen Belasten und Entlasten ihre Kristallstruktur ändert und dabei Wärme aufnimmt oder abgibt. Ein flüchtiges Gas ist in diesem Kreislauf nicht mehr nötig, weshalb die Technik als besonders sauber und wartungsarm gilt.
Der Bedarf an Kühlung wächst weltweit rasant. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur entfallen bereits rund zwölf Prozent des globalen Strombedarfs allein auf die Raumkühlung, und Prognosen gehen von einer Verdreifachung dieses Anteils bis zur Mitte des Jahrhunderts aus. In Deutschland verursacht der Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte nach Zahlen des Umweltbundesamtes gut die Hälfte des gesamten Endenergieverbrauchs. Eine Technik, die dieselbe Aufgabe mit deutlich höherer Energieeffizienz und ohne schädliche Betriebsstoffe erledigt, hätte deshalb enorme Wirkung. Genau hier setzt die Elastokalorik an. Weil die eingesetzten Nickel-Titan-Elemente sich wie Sehnen dehnen und wieder zusammenziehen, werden sie oft als künstliche Muskeln bezeichnet. Sie lassen sich sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwenden und funktionieren damit zugleich als Wärmepumpe. Das macht das Verfahren zu einem der meistbeachteten Ansätze für eine Klimaanlage ohne Kältemittel.
Das Grundprinzip lässt sich an einem einfachen Draht beschreiben. Nickel-Titan liegt bei Raumtemperatur in einer sogenannten Austenit-Phase vor. Wird der Draht unter Zug gesetzt, erzwingen die Forscher einen Übergang in die Martensit-Phase, wobei das Material Wärme an die Umgebung abgibt und sich erwärmt. Lässt die mechanische Spannung wieder nach, kehrt die Legierung in ihren Ausgangszustand zurück und entzieht der Umgebung dabei Wärme, sodass sich das Metall spürbar abkühlt. Ein Team der Universität des Saarlandes um Stefan Seelecke und Paul Motzki, das in einer mit vier Millionen Euro geförderten Pathfinder-Challenge zur Elastokalorik arbeitet, entwickelt seit rund fünfzehn Jahren Systeme, die dieses Wechselspiel kontinuierlich ablaufen lassen. Strömt Luft oder Wasser an den belasteten und entlasteten Elementen vorbei, transportiert das Medium die Wärme von einem Ort zum anderen. Weder ein Kompressor noch ein flüssiges Kältemittel sind für diesen Kreislauf erforderlich.
In den ersten Prototypen kamen vor allem gebündelte Drähte zum Einsatz, inzwischen arbeiten die Forscher auch mit dünnen Blechen, weil deren größere Oberfläche mehr Wärme aufnehmen und abgeben kann. Die jüngste Ausbaustufe geht sogar über einfache Formen hinaus, wie die an der Universität des Saarlandes vorgestellten Nickel-Titan-Strukturen aus dem 3D-Drucker zeigen, deren poröse Innengeometrie besonders viel Fläche für den Kühl- und Heizeffekt bereitstellt. Zusätzlich besitzt Nickel-Titan integrierte Sensoreigenschaften, da sich jede Verformung einem konkreten Wert des elektrischen Widerstands zuordnen lässt. Ein zentrales Ziel der Entwicklung ist die Alltagstauglichkeit, denn die Drahtbündel sollen mehr als eine Million Belastungszyklen überstehen, ohne zu ermüden. Die Bauteile werden zugleich so konstruiert, dass sie sich im Wartungsfall einfach austauschen lassen, was die Technik für den Dauerbetrieb interessant macht.
Der elastokalorische Effekt selbst ist nicht neu und wurde in einfacher Form schon vor rund zweihundert Jahren an Naturgummi beobachtet. Bereits früher demonstrierten Experimente mit verdrillten Fasern aus Nickel-Titan, dass sich Oberflächen beim Entspannen um bis zu zwanzig Grad Celsius abkühlen lassen. Erst leistungsfähige Legierungen, ausgefeilte Antriebe und eine geschickte Rückgewinnung der mechanischen Energie machen daraus jedoch ein praxistaugliches Verfahren. Das Weltwirtschaftsforum zählte die Elastokalorik im Jahr 2024 zu den zehn wichtigsten aufkommenden Technologien, und sowohl die Europäische Kommission als auch das Energieministerium der Vereinigten Staaten stufen sie als vielversprechendste Alternative zu den heutigen Kompressions-Kältemaschinen ein. Damit rückt eine Technik in den Fokus, die lange nur als Kuriosität aus dem Physikunterricht galt und nun ernsthaft für den Massenmarkt entwickelt wird.
Elastokalorik ist nicht der einzige festkörperbasierte Ansatz, der ohne flüchtige Gase auskommt. Parallel arbeiten Forschungsgruppen an elektrokalorischen Bauteilen sowie an magnetokalorischen Kühlsystemen, in denen Magnetfelder den Temperaturwechsel auslösen. Alle diese Verfahren eint das Ziel, den Kompressor und das klimaschädliche Kältemittel zu ersetzen. Die Elastokalorik gilt dabei als besonders aussichtsreich, weil sie mit vergleichsweise robusten Werkstoffen arbeitet und sowohl kühlen als auch heizen kann. Nach Angaben der beteiligten Wissenschaftler lässt sich mit Nickel-Titan im Prinzip eine deutlich höhere Effizienz erreichen als mit heutiger Klimatechnik. Erste Demonstratoren kühlen bereits kontinuierlich Luft, und die Saarbrücker Teams entwickeln die Technik im Rahmen geförderter Verbundprojekte auch für die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen weiter, wo herkömmliche Systeme viel Reichweite kosten.
Bis zur breiten Anwendung sind allerdings noch Hürden zu überwinden. Die Bauteile müssen über viele Jahre zuverlässig arbeiten, die Antriebe möglichst wenig Energie verbrauchen und die Herstellungskosten sinken. Ähnliche Fragen stellen sich auch bei der Forschung an energieeffizienteren Wärmepumpen, die ebenfalls als Schlüssel für eine klimafreundliche Wärme- und Kälteversorgung gilt. Die Forscher rechnen damit, dass die elastokalorische Kühlung in etwa fünf Jahren marktreif sein könnte, zunächst in Nischen wie Weinkühlschränken, Prozesskühlung oder Fahrzeugen und später in größeren Anlagen. Sollte sich das Verfahren durchsetzen, könnte ein erheblicher Teil der weltweiten Kühlung künftig ohne treibhauswirksame Gase auskommen. Für ein Land wie Deutschland, in dem Wärme und Kälte den größten Block des Energieverbrauchs bilden, wäre das ein spürbarer Beitrag zum Klimaschutz.