Wenn Dehnung heizt: Die stille Revolution der Solid-State-Wärmepumpe

Deutschland setzt vielerorts auf Wärmepumpen - doch noch fehlen die technischen Durchbrüche, um sie wirklich überall effizient zu machen. Ein neu entwickeltes Material bringt nun überraschend eine fast vergessene Idee zurück ins Spiel: Wärme durch Dehnung.

Ti₇₈Nb₂₂: Das Material, das Heizungstechnik neu denkt

Jede Diskussion über den Abschied von Öl- und Gasheizungen führt in den vergangenen Jahren fast unweigerlich zu einem Begriff: Wärmepumpe. Tausendfach verbaut, politisch gefördert und in Neubauten teils vorgeschrieben - sie gilt als Schlüsseltechnologie der Energiewende. Doch hinter den Kulissen ringen Ingenieurteams weltweit mit denselben Herausforderungen: Wie lässt sich die Effizienz verbessern? Wie können Geräte kleiner, leiser, günstiger werden? Und wie lässt sich der Verzicht auf klimaschädliche Kältemittel technisch umsetzen?

Forscher der Hongkong University of Science and Technology (HKUST) präsentieren jetzt einen überraschenden Lösungsansatz in Nature - nicht mit neuen Gasen, sondern mit einem festen Metall: Ti₇₈Nb₂₂, eine neuartige elastische Legierung, die beim Verformen selbst Wärme erzeugt oder aufnimmt. Der sogenannte thermoelastische Effekt wurde schon im 19. Jahrhundert beschrieben. Doch jahrzehntelang galt er als physikalische Randnotiz: messbar, aber zu schwach, um daraus eine Technologie zu machen.


Das Team der HKUST zeigt, dass diese Einschätzung so nicht mehr gilt. Ihr speziell strukturierter Ti₇₈Nb₂₂-Kristall erzeugt beim rein elastischen Verformen eine Temperaturänderung von 4 bis 5 Grad - das ist 20-mal mehr als bei üblichen Metallen. Die thermische Reaktion erfolgt sofort, ist reversibel und basiert nicht auf einem Phasenwechsel, wie es bei klassischen Kältemitteln der Fall ist. Der enorme Vorteil: Damit könnten künftig Wärmepumpen ohne Kompressor, ohne Gas und ohne hochbelastete rotierende Teile arbeiten.

Besonders bemerkenswert ist auch die Effizienz: In Simulationen erreicht das Verfahren mit Ti₇₈Nb₂₂ bis zu 90 Prozent dessen, was physikalisch als Grenze gilt - also fast das sogenannte Carnot-Limit. Zum Vergleich: Andere festkörperbasierte Wärmepumpen schaffen bislang meist nur etwa die Hälfte davon. Und es könnte sogar noch weitergehen: Das Forschungsteam rechnet damit, dass sich ähnliche Materialien entwickeln lassen, die beim Verformen Temperaturunterschiede von bis zu 22 Grad erzeugen - ein gewaltiger Schritt für künftige Anwendungen.

Fakten zum Material Ti₇₈Nb₂₂

Prototypen in Arbeit

So lässt sich auf Grundlage der Forschung eine künftige Wärmepumpe vorstellen: Im Inneren dehnen kleine Aktoren gezielt schmale Metallstreifen aus, die beim Verformen Wärme erzeugen oder aufnehmen. Die warme Seite wird genutzt, um Räume zu heizen, die kalte Seite gibt überschüssige Energie an die Umgebung ab - oder umgekehrt beim Kühlen. Das System käme ganz ohne Kompressor, Kühlmittel oder rotierende Bauteile aus. Noch ist es ein Konzept - doch die technischen Grundlagen für einen neuen Wärmepumpentyp sind gelegt.

"Diese Technologie bietet einen grundlegend neuen Ansatz, um fossile Heizsysteme zu ersetzen. Wir entwickeln derzeit erste Prototypen von Wärmepumpen, die die Legierung in industriellen Anwendungen nutzen.", so Dr. Li Qiao, Erstautor der Studie.


Siehe auch: