Kühlung und Wärmepumpe in einem und dabei mindestens 300 Prozent effizienter: Es heißt Elastokalorik und kommt maßgeblich aus Deutschland

Kühlschränke werden sicher auch noch in zehn Jahren Essen kalt halten, aber die Kühltechnik könnte dann drastisch anders aussehen. (Bildquelle: Philippe, Adobe Stock)

Elastokalorik könnte unsere Welt in den nächsten Jahrzehnten so drastisch beeinflussen wie kaum eine andere Technologie. In der deutschen Forschung steckt das Potenzial, unsere Heizungen, Klimaanlagen und Kühlschränke radikal zu verbessern.

Die Hoffnung: Mit »künstliche Muskeln« könnten wir uns Unmengen an Energie sparen, um Wohnungen zu heizen oder Essen zu kühlen.

Sie könnten in Zukunft gleich mehrere Märkte umwälzen: den der Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlschränke.

Abkühlung ohne klimaschädliche Kältemittel

Die führenden Köpfe hinter der Elastokalorik sind die Professoren Paul Motzki und Stefan Seelecke. Die beiden forschen an der Universität des Saarlandes bereits seit über einem Jahrzehnt an der potenziellen Zukunft der Wärme- und Kühltechnik. In das Projekt haben EU und Deutschland bereits Millionen an Fördergeldern investiert – ein Zeichen dafür, wie wichtig ihre Forschung ist.

Grundlage der Elastokalorik ist dabei eine Stoff namens Nitinol. Das ist eine Legierung der Metalle Nickel und Titan. Sie verfügt über mehrere besondere Eigenschaften, doch entscheidend sind vor allem zwei:

1. Nitinol ist ein superelastisches Formgedächtnismetall. Darunter versteht die Forschung ein Material, das bei Raumtemperatur sogar von Hand verbogen werden kann. Sobald es aber ausreichend erhitzt wird, kehrt es wieder in die während seiner Herstellung eingeprägte Form zurück. Die exakte Temperatur, bei der das geschieht, ist durch das Mischverhältnis einstellbar.

Das folgende YouTube-Video demonstriert, was Nitinol kann.

Link zum YouTube-Inhalt

2. Nitinol kann Wärme aufnehmen und abgeben – und zwar rein durch Mechanik. Zieht man den Stoff etwa in die Länge, gibt er Wärme an die Umgebungsluft ab. Wird er nicht gedehnt, entzieht er der Luft Wärme – und kühlt so die Umgebung ab. In Kombination mit dem Formgedächtnis, lassen sich so Kühl- und Heizsysteme schaffen.

Der weltweit erste Mini-Kühlschrank auf Basis dieser einstufigen Technik war auch auf der Hannover Messe Anfang April 2025 zu sehen.

Die Wirkung steigert sich, je mehr Drähte gleichzeitig angezogen oder entlastet werden. Deshalb kommen gleich ganze Bündel von ihnen zum Einsatz. Und was besteht aus Fasern, lässt sich spannen und entspannen? Muskeln.

So kommen die Nitinol-Fasern auch zu ihrem eingangs erwähnten inoffiziellen Namen: »künstliche Muskeln«.

Je nach Anwendung können aber auch dünne Bleche oder mittlerweile sogar 3D-gedruckte komplexere Geometrien aus Nickel-Titan zum Einsatz kommen. Es bleibt also nicht zwangsläufig bei Drähten.

Aktuell nutzen Prototypen einstufige Verfahren, das heißt: Es kühlt nur ein Set von Drähten bzw. Blechen. Damit kommen bis zu 20 Grad Celsius an Differenz zustande. Sobald die Ingenieure aber die Kinderkrankheiten geheilt und Verfahren vereinfacht und optimiert haben, planen sie einen Ausbau.

Denn bei Zwischenschaltung weiterer Schritte, sodass die Luft mehrfach nacheinander gekühlt wird, seien sehr viel größere Temperaturspannen möglich.

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Wer abkühlt, der kann auch einheizen

Wie erwähnt, geht es auch um Heizungen. Denn wer kühlen kann, beherrscht im Grunde genommen auch das Heizen. Nur wird der Strom anders eingesetzt. Im Falle der Elastokalorik werden, vereinfacht gesagt, die Positionen der Nitinol-Strukturen getauscht. Dort wo vorher entlastet wurde, wird gezogen und da wo die Stromzufuhr zurückgenommen wurde, wird jetzt mechanisch Kraft ausgeübt, damit sich das Formgedächtnismetall verformt.

Auch hier erreichen die Testsysteme ähnliche Temperaturdifferenzen – also aktuell höchstens 20 Grad Celsius.

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Potenziell unschlagbare Effizienz

Wie spannend das Konzept sein mag – letztendlich besticht es aus Sicht der Forscher vor allem durch eines: die Effizienz. Die soll dafür sorgen, dass möglichst viele Industriezweige aufmerksam werden.

Denn pro eingesetzter Einheit an Energie bekommen wir mit Elastokalorik weit mehr Kühlung als bei gängigen Verfahren, wie zum Beispiel durch Kältemittel in Kühlschränken: Laut den deutschen Forschern sind Werte jenseits des Zehnfachen möglich.

300 Prozent stellen nach allen verfügbaren Informationen die Untergrenze dar. Also herkömmliche Kühlschränke brauchen für die gleiche Menge an entzogener Kälte ungefähr 3-mal so viel Strom.

Noch im Labor, aber bereits im Rampenlicht

Auch wenn ihr bisher wenig von der Technik gehört habt, könnte sich das bald ändern. Experten zeigen sich optimistisch: So setzte das Weltwirtschaftsforum Elastokalorik 2024 auf Platz 7 ihrer Topliste der aufkommenden Technologien. Die Kommission der Europäischen Union deklarierte die Saarbrücker Klimatechnologie bereits als zukunftsträchtigste Alternative zu den bisherigen Verfahren.

In Anbetracht der Verkettung von Klimakrise, dem Bedarf zur Kühlung/Heizung und der vielerorts immer noch klimaschädlichen Energieversorgung könnte die Elastokalorik zur Schlüsseltechnologie aufsteigen. Abseits des kürzlich vorgestellten Mini-Kühlschrankes laufen weitere Pilotprojekte, etwa zum Einsatz in Wohnungen oder in Elektroautos (zur Abkühlung).

Letztendlich gilt überall: Je weniger Strom wir zur Abkühlung oder Aufheizung von Was-auch-immer brauchen, desto weniger mitunter fossile Energieträger müssen dafür in Brennöfen unterschiedlichster Art landen.

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Denn auch wenn es vorangeht, allein in Deutschland liegt noch einiges an Strecke vor uns bis zur 100 Prozent nachhaltigen Stromversorgung. Kernfusion braucht wahrscheinlich auch noch das ein oder andere Jahrzehnt.

Deshalb wird wohl auch in 50 Jahren die Frage nach Einsparungen beim Energiekonsum zentraler Bestandteil von Industrie und Haushalten sein. Aber Hoffnung ist wichtig gegen die Klimaangst.

Vielleicht könnten dabei die künstlichen Muskeln in Kühlschränken und in Wärmepumpen entscheidend helfen. Je nach Einsatzfeld gelte es im Kontext der Elastokalorik aber noch etliche Detailfragen zu klären:

• wie die Luftströme idealerweise aussehen
• welche Form die Nickel-Titan-Konstrukte am besten annehmen müssen
• wie stark sie für eine bestimmte Kühl- oder Heizleistung belastet werden
• Fragen der nachhaltigen, möglichst kostengünstigen Herstellung
• Recycling am Ende der Verwendung

Es gilt also abzuwarten, denn bisher gibt es nur Prototypen. Bis wir irgendwann unser erfrischendes Getränk aus dem Elastokalorik-Kühlschrank holen oder uns im tiefsten Winter unterhalb einer Heizanlage aus Nitinol-Strängen entspannen, werden sicher noch einige Jahre ins Land ziehen.