弹性制冷技术：通过人工肌肉弯曲实现制冷的冰箱

首次使用人工肌肉（由镍钛合金制成）冷却的世界上第一个冰箱只能容纳一小瓶饮料。然而，该团队将在4月22日至26日于汉诺威工业博览会上展示这一迷你原型机，这标志着弹性制冷技术已经成为实际应用的可行解决方案。与当前方法相比，这种对环境友好的制冷和加热技术更加高效节能，更加可持续。研究团队正在萨尔兰大学和机电自动化技术中心（ZeMa）多个研究项目中开发这项新的制冷和加热技术。

这项新技术现已集成到一个小巧的冰箱原型机中，其基于一个极为简单的原理：通过拉伸导线并再次释放来从空间中移除热量。这些超弹性镍钛形状记忆线圈被称为“人工肌肉”，它们吸收冷却室内的热量，并将其释放到外部环境中。“我们的弹性制冷过程使我们能够在不使用对气候有害的制冷剂的情况下以比当今传统技术更加节能的方式实现约20摄氏度的温差，”萨尔兰大学及萨尔布鲁根机电自动化技术中心（ZeMa）的研究教授斯特凡·塞勒克解释道。

弹性制冷材料的效率是目前空调系统或冰箱的十倍以上。美国能源部和欧盟委员会已宣布，萨尔布鲁根研发的制冷技术是最有希望取代现有工艺的替代品。该技术可以从比目前演示的小冷却室更大的空间中提取热量，也可以向更大的空间供热。在气候变化、能源短缺和制冷加热需求不断增长的背景下，这一过程代表了未来非常有前景的解决方案。

研究人员利用镍钛等人工肌肉的特殊“超能力”来传递热量：形状记忆。由这种合金制成的线材记得其原始形状，并在被变形或拉伸后恢复到原状。他们可以像肌肉一样伸长和缩短，也能够紧张和放松。这一作用深藏在镍钛内部，它具有两个晶格——可以相互转化的两个相位。与水的固体、液体和气体相位不同，镍钛的两个相位都是固体。在晶体结构的这些相变期间，线材吸收热量并释放热量：“当处于超弹态时被拉伸时，形状记忆材料释放热量，当被释放时则吸收热量，”负责萨尔兰大学和ZeMa智能材料系统研究组的Paul Motzki教授解释道。如果将大量线材捆绑在一起，则效果会进一步增强——由于其较大的表面积，它们会吸收并释放更多热量。

尽管这个原理乍看起来非常简单，但构建制冷回路需要解决的研究问题非常复杂。在他们目前在汉诺威展示的迷你冰箱中，专门设计的专利凸轮驱动器不断地使200微米薄的镍钛线围绕一个圆形冷却室旋转：“当其在圈内旋转时，它们在一侧受到机械载荷，即被拉伸，而在另一侧则被卸载，”负责冷却系统的博士生Lukas Ehl解释道。空气被引导经过旋转的线团进入冷却室，在那里线材被卸载并吸收空气中的热量。然后，空气在冷却室中无处不在地循环。随着它们继续旋转，线材将热量传出冷却室，并在被拉伸到冷却室外时释放热量。“通过这种方法，冷却室的温度可以降至约10-12摄氏度，”正在进行硕士论文研究的Nicolas Scherer学生说道。

萨尔布鲁根的工程师们正在研究如何保持线材持续运动的驱动器，空气流看起来如何，过程最有效的方式，需要捆绑多少线材，对于某个冷却水平它们应该被拉伸多大，等等。他们还开发了软件，使他们能够调整不同应用的加热和制冷技术，并模拟和规划制冷系统。他们还研究了从材料生产和再循环到生产的整个周期。

冰箱只是开始。“我们希望在工业制冷、电动车辆制冷推动电动出行，以及家用电器等各种应用中充分利用弹性制冷技术的创新潜力，”Paul Motzki解释道。

这项新技术是数百万欧元研究项目和获奖博士论文项目超过十年研究的结果。项目资助部分来自欧盟和德国研究基金会（DFG）。德国联邦教育和研究部正在DEPART!Saar项目中投资超过1700万欧元，在此项目中，研究人员正在与其他研究机构和工业合作伙伴合作。其目标是建立新的技术转移格式，并加快通往市场的道路。在几个研究项目和博士论文项目中，工程师们还开发了一个持续运行的制冷和加热演示装置，展示了弹性制冷技术如何冷却和加热空气。

在汉诺威工业博览会上，萨尔布鲁根智能材料系统的专家还将展示其形状记忆技术的多功能性，包括智能微型驱动器、高效节能的机器人抓取器和软机器人象鼻。