Den kan användas för att kyla eller värma luften i ett rum eller för att kyla eller värma vätskor. Och det ser ut som något som Q – teknikspecialisten och prylaren i James Bond-filmerna – kan ha kommit på. Prototypenheten, som har utvecklats av en forskargrupp ledd av professorerna Stefan Seeleke och Andreas Schütze vid Saarlands universitet, kan överföra värme med hjälp av "muskler" gjorda av nickel-titan. Nickel-titan eller nitinol, som det ofta är känt, är ett formminnesmaterial som avger värme till sin omgivning när det belastas mekaniskt i sitt superelastiska tillstånd och absorberar värme från sin omgivning när det avlastas. Denna ovanliga egenskap är anledningen till att nitinol också kallas en "smart legering" eller som "muskeltråd." Denna effekt har utnyttjats av Saarbrücken-forskarna som har utvecklat ett miljövänligt värme- och kylsystem som är två till tre gånger effektivare än konventionella värme- och kylanordningar.

EU-kommissionen och det amerikanska energidepartementet har båda utvärderat den nya processen och anser att den är den mest lovande alternativa tekniken till befintliga ångkompressionskylsystem.

Teamet av Saarbrückens ingenjörer kommer att ställa ut sin teknik på årets Hannover Messe från den 1:a till den 5:e april i Saarland Research and Innovation Stand (Hall 2, Stativ B46).

Reglerna är tydliga nog:För att kyla ner något, du måste ta bort värme från den. Och för att värma upp något, termisk energi måste tillföras den. Prototypsystemet som ingenjörerna vid Saarlands universitet har utvecklat gör båda dessa saker. Men deras system transporterar värme med en ny metod som undviker de problem och nackdelar som är förknippade med konventionella värme- och kylsystem. "Vårt system klarar sig utan de konventionella köldmedierna som är så skadliga för miljön, " förklarar professor Andreas Schütze vid Saarlands universitet - en expert inom området sensor- och mätteknik.

Den underliggande principen är enkel och innebär i huvudsak att utsätta en viss formminneslegering (SMA) - i detta fall nickel-titan - för kontrollerade lastnings-/avlastningscykler. "De resulterande fasövergångarna som inträffar i legeringens kristallgitter frigör eller absorberar latent värme, beroende på vilken del av cykeln materialet befinner sig i, säger professor Stefan Seelecke, som innehar professuren i intelligenta materialsystem vid Saarlands universitet. Denna effekt är särskilt uttalad i trådar gjorda av nickel-titan. "När förspända nitinoltrådar lossas vid rumstemperatur, de svalnar med så mycket som 20 grader, säger Felix Welsch som har arbetat med prototypen som en del av sitt doktorandforskningsprojekt, tillsammans med sin teamkollega Susanne-Marie Kirsch. Detta fenomen gör det möjligt att ta bort värme från systemet. "När ledningarna belastas mekaniskt värms de upp lika mycket, så att processen även kan användas som värmepump, " förklarar Welsch.

Prototypen är den första kontinuerligt arbetande maskinen som kyler luft med denna process. Teamet har designat och utvecklat en patentsökt kamdrift vars rotation säkerställer att buntar med 200 mikron tjocka nitinoltrådar växelvis laddas och lossas på ett sådant sätt att värme överförs så effektivt som möjligt. Luft blåses genom fiberknippena i två separata kammare:i en kammare värms luften, i den andra kyls den. Apparaten kan därför drivas antingen som värmepump eller som kylskåp.

Men det som låter så enkelt visar sig vara svårt och komplext att genomföra. Ingenjörerna vid Saarlands universitet och vid Zema (Centrum för mekatronik och automationsteknik) i Saarbrücken har under ett antal år arbetat med problemet i olika projekt, inklusive det DFG-finansierade prioriterade programmet "Ferroic Cooling". Med hjälp av en kombination av experimentella undersökningar och numerisk modellering kunde de identifiera hur man maximerade effektiviteten hos den underliggande mekanismen, den trådbelastningsnivå som behövs för att uppnå en viss grad av kylning, den ideala rotationshastigheten och hur många nitinoltrådar som behöver ingå i ett paket. "Ju större yta, ju snabbare värmeöverföring, det är därför buntar av ledningar ger den bästa kylningskapaciteten, " förklarar Susanne-Marie Kirsch. "Vi använder en värmekamera för att analysera exakt hur uppvärmnings- och kylningsstegen fortskrider." Som ett resultat av deras forskningsarbete, ingenjörsteamet har nu en rad parametrar som de kan justera för att skräddarsy sitt system för att möta olika behov. "Vi har tagit de resultat som erhållits hittills och har utvecklat ett program som gör att vi kan justera vår värme- och kylteknik på en dator för specifika applikationer. När datormodelleringen och planering är klar, systemet kan sedan byggas, " förklarar Kirsch.

Denna grundforskning kan mycket väl ha intressanta industriella tillämpningar, eftersom den nya uppvärmnings- och kyltekniken som utvecklats i Saarbrücken är mycket effektiv. Beroende på vilken legering som används, uppvärmnings- eller kyleffekten i systemet är upp till trettio gånger större än den mekaniska effekt som krävs för att ladda och avlasta legeringstrådsbuntarna. Det gör redan det nya systemet minst dubbelt så bra som en konventionell värmepump och tre gånger bättre än ett konventionellt kylskåp. "Vår nya teknik är också miljövänlig och skadar inte klimatet, eftersom värmeöverföringsmekanismen inte använder vätskor eller ångor. Så luften i ett luftkonditioneringssystem kan kylas direkt utan behov av en mellanvärmeväxlare, och vi behöver inte använda läckagefritt, högtrycksrör, " förklarar professor Seelecke.

Teamet arbetar för närvarande med att ytterligare optimera värmeöverföringen inom systemet för att öka effektiviteten i den nya tekniken ännu mer. "Vårt mål är att komma till ett stadium där nästan all energi från fasövergången används för uppvärmning eller kylning, säger doktoranden Felix Welsch.