Technik

Emissionsfrei kühlen und heizen: Wie elastokalorische Festkörper die Technik revolutionieren

von Artisan Baumeister · 4. Mai 2025

Das KIT stellt mit elastokalorischen Festkörpern erstmals eine funktionsfähige und emissionsfreie Kühl- und Heiztechnologie vor. Diese Innovation wandelt mechanische Energie direkt in Wärme oder Kälte – ohne klimaschädliche Medien. Der Artikel analysiert Funktionsweise, Potenzial und Herausforderungen der Technologie.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Elastokalorische Festkörper: Technik, Physik und aktuelle Forschung aus dem KIT
Praxistest auf der Hannover Messe: Anwendungen, Systemintegration und Live-Demonstratoren
Potenzial für den Wandel: Wirtschaftliche Bewertung, Marktchancen und Herausforderungen
Fazit

Einleitung

Konventionelle Kühl- und Heizsysteme stehen zunehmend wegen ihrer Klimabilanz und Effizienz in der Kritik. Auf der Hannover Messe 2025 zeigte das Karlsruher Institut für Technologie, wie es mit elastokalorischen Festkörpern eine echte Neuausrichtung wagt: Mit Materialien, die ihre Temperatur via mechanischer Belastung ändern, eröffnen sich neue Perspektiven – von der Mikrokühlung bis zur Gebäudetechnik. Zentral: Es werden weder Gase noch Flüssigkeiten als Kühlmittel benötigt, die Umwelt bleibt außen vor. Die Technologie verspricht eine leise Revolution im Alltag, aber auch eine große Herausforderung für Forschung, Markt und Regulierung.

Elastokalorische Festkörper: Technik, Physik und aktuelle Forschung aus dem KIT

Physikalisches Prinzip und Funktionsweise

Elastokalorische Festkörper nutzen einen faszinierenden Effekt: Unter mechanischer Belastung – etwa durch Ziehen oder Stauchen – verändern sie reversibel ihre Kristallstruktur. Bei dieser Umwandlung setzen sie messbar Wärme frei oder nehmen diese auf. Das Phänomen, bekannt als elastokalorischer Effekt, basiert bei modernen Systemen vor allem auf speziellen Formgedächtnislegierungen (kurz SMA für „Shape Memory Alloys“). Diese Legierungen erinnern sich sozusagen an ihre frühere Form und geben beim Wechsel zwischen Phasen gezielt Wärme ab – emissionsfrei und völlig ohne klimaschädliche Kältemittel. Das macht elastokalorische Festkörper zu einer echten Wärmepumpe Alternative für nachhaltige Kühlung und Heizung.

Materialeigenschaften und Forschung am KIT

Im Fokus der aktuellen Forschung am KIT stehen nickel-titanbasierte Formgedächtnislegierungen, die besonders robust auf zyklische mechanische Belastung reagieren. Im Rahmen des Helmholtz-Programms „Materials Systems Engineering“ analysieren Wissenschaftler unter anderem die Effizienz und Lebensdauer dieser Werkstoffe. Wichtige Erkenntnis: Die gezielte Legierungsentwicklung am KIT führte zu Werkstoffen, die bisherige Schwächen wie Materialermüdung und Wärmeverlust erheblich reduzieren.

Experimentelle Ergebnisse und Stand der Technik

Dokumentierte Experimente am KIT bestätigen eine thermische Effizienz von über 10 Prozent bezüglich des eingesetzten mechanischen Energieaufwands – verglichen mit anderen kalorischen Effekten setzt dies Maßstäbe. Langzeittests an Prototypen zeigen über zehntausend Schaltzyklen ohne signifikanten Leistungsverlust. Damit bewegen sich die am KIT entwickelten elastokalorischen Festkörper schon jetzt auf dem Level, dass sie emissionsfreie Kühlung und Mechanocaloric Cooling für praxisnahe Anwendungen ermöglichen. Die intensive Forschung legt so das Fundament für neue Generationen ressourcenschonender Kühltechnologie im Sinne echter Nachhaltigkeit.

Praxistest auf der Hannover Messe: Anwendungen, Systemintegration und Live-Demonstratoren

Live-Einblicke am KIT-Stand: Technologie zum Anfassen

Elastokalorische Festkörper blieben auf der Hannover Messe 2025 nicht bloß Theorie. Das KIT präsentierte mehrere einsatzbereite Mechanocaloric Cooling-Demonstratoren, die eindrücklich zeigten, wie emissionsfreie Kühlung und nachhaltige Heiztechnik im Alltag funktionieren könnten. Besucher erlebten etwa, wie sich miniaturisierte Kühlmodule direkt an sensible Elektronikbauteile anschmiegen. Das Prinzip: Ein winziges Bauteil aus Formgedächtnislegierung verformt sich unter mechanischem Druck, gibt dabei Wärme ab und kann durch gezielte Rückbewegung wieder kühlen – und das ganz ohne klimaschädliche Kältemittel.

Mikrokühlung in der Praxis

Wer sich vor Ort einen Laptop ansah, dem fiel rasch die kompakte Integration des Kühlmoduls ins Gehäuse auf. Spannend: Die schnellen Umschaltzeiten zwischen Heiz- und Kühlmodus machen die elastokalorische Kühltechnologie besonders attraktiv für Hochleistungselektronik, wo Hitzestaus zuverlässig verhindert werden sollen.

Gebäudeklimatisierung und Systemintegration

Neben der Elektronikkühlung zeigte das KIT einen Prototyp für großflächige Gebäudeklimatisierung. Hier arbeiteten modulare Elastokalorik-Stacks, die sich flexibel kombinieren lassen – als Wärmepumpe Alternative zu bestehenden Kompressorsystemen. Beeindruckend: Die Demonstratoren ließen sich mit solarthermischen Anlagen koppeln, was Synergien bei der Energieeffizienz und der Nachhaltigkeit schafft.

Realistische Integrationsmöglichkeiten und Grenzen

Die Gesprächsrunden am Messestand machten deutlich: Für die Nachrüstung in Elektronik und Gebäudetechnik sind elastokalorische Systeme schon erstaunlich weit, sofern die mechanischen Antriebe zuverlässig miniaturisiert werden. Im großflächigen Einsatz bleibt jedoch die Skalierung – vor allem bei der Haltbarkeit der Formgedächtnislegierungen – eine Herausforderung, an der das KIT gezielt weiterforscht.

Potenzial für den Wandel: Wirtschaftliche Bewertung, Marktchancen und Herausforderungen

Nachhaltigkeit trifft Marktrelevanz

Elastokalorische Festkörper positionieren sich als vielversprechende Alternative zu klassischen Kälte- und Heizsystemen. Im Zentrum steht ihr emissionsfreier Betrieb: Statt klimaschädlicher Kältemittel – ein Problem herkömmlicher Kühlschränke oder Klimaanlagen – wirken hier sogenannte Formgedächtnislegierungen. Durch mechanische Belastung werden kalorische Effekte genutzt, die nachhaltige, CO2-neutrale Kühlung und auch Wärmepumpe Alternativen ermöglichen – ein entscheidender Hebel für die Energiewende.

Marktchancen und Anwendungsbreite

Die Einsatzfelder reichen von der Mikrokühlung leistungsfähiger Elektronik bis zur Gebäudeklimatisierung, was auf der Hannover Messe 2025 sichtbar wurde. Laut Berichten des KIT eröffnet insbesondere die Integration elastokalorischer Systeme in bestehende Technologien – Stichwort Mechanocaloric Cooling – neue Wege, um Energie einzusparen und den Ressourcenverbrauch zu senken. Das spricht auch ökonomisch: Unternehmen könnten Betriebskosten und Abhängigkeiten von fossilen Brennstoffen reduzieren, was die Wettbewerbsfähigkeit stärkt.

Herausforderungen: Von Material bis Markt

Herausfordernd bleibt bislang die Skalierung in die Serienfertigung. Langlebigkeit und Materialermüdung der verwendeten Legierungen sind Schlüsselfaktoren; hier liefert das KIT zentrale Forschungsdaten zu Lebensdauer und Effizienz. Auch regulatorische Klarheit fehlt noch vielerorts: Neue Kühltechnologien müssen sich erst in bestehende Normen und Sicherheitsstandards einfügen. Die bislang vorliegenden ökonomischen Analysen zeigen jedoch: Gelingt die Industrialisierung, könnten elastokalorische Festkörper eine treibende Kraft für nachhaltige, wirtschaftlich attraktive Kälte- und Wärmesysteme werden.

Fazit

Die elastokalorische Festkörpertechnologie steht an der Schwelle zur Marktreife und könnte die Art, wie wir kühlen und heizen, grundlegend verändern. Dennoch gilt es, Fragen der Lebensdauer, der Skalierung und der Wirtschaftlichkeit zu beantworten. Gerade mit Blick auf die Dekarbonisierung und wachsende Energiepreise ist das gesellschaftliche Potenzial enorm. Die kommenden Jahre werden zeigen, ob sich diese Entwicklung gegen bewährte Systeme behaupten und zur Standardlösung in der klimafreundlichen Gebäudetechnik avancieren kann.

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