Karlsruhe, 30.10.2026 – Während draußen die Temperaturen schwanken, wächst weltweit der Bedarf an Kühlung. Höhere Temperaturen und häufigere Extremhitze setzen Gebäude, Rechenzentren, Elektronik, Medizin und Logistik unter Druck. Auch leistungsfähigere Rechenzentren für Künstliche Intelligenz brauchen immer mehr Kühlsysteme. Der Energiebedarf für Raumklimatisierung könnte sich bis 2050 voraussichtlich mehr als verdoppeln.

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sucht Dr. Jingyuan Xu mit ihrer Forschungsgruppe „ZEco Thermal Lab“ nach emissionsfreien und umweltfreundlichen Heiz- und Kühltechnologien. Ein aktuelles Review von Forschenden des KIT und internationalen Partnern untersucht, wie weit kalorische Kühlsysteme inzwischen sind – und was ihnen für den Alltag noch fehlt.

Kühlen ohne gasförmiges Kältemittel

Herkömmliche Dampfkompressionssysteme arbeiten mit gasförmigen Kältemitteln. Entweichen diese, können sie zur Erderwärmung beitragen. Kalorische Systeme setzen stattdessen auf feste Materialien, die sich durch äußere Einwirkung erwärmen und anschließend wieder abkühlen. Dafür kommen magnetische oder elektrische Felder ebenso infrage wie Druck oder Zug. Der Temperaturwechsel nimmt Wärme auf und gibt sie an anderer Stelle wieder ab – ähnlich wie bei einem Kühlschrank oder einer Wärmepumpe.

Magnetisch angetriebene Prototypen erreichen inzwischen Kühlleistungen von mehr als drei Kilowatt, mechanisch angetriebene Systeme überschreiten ein Kilowatt. Kleinere Anlagen mit elektrischen Feldern oder nach dem elastokalorischen Prinzip bleiben bisher unter zehn Watt. Das klingt bescheiden, könnte aber für Wearables, Chips oder Sensoren reichen.

Zwischen dem, was ein Material im Labor kann, und dem, was ein fertiges Gerät tatsächlich leistet, klafft allerdings noch eine Lücke. Wärmeverluste, Materialermüdung und Energie, die im Kühlzyklus nicht vollständig zurückgewonnen wird, drücken die Leistung. Eine große Temperaturänderung allein genügt deshalb nicht. Entscheidend sind die auf Geräteebene nutzbare Leistung und ein effizienter Kühlzyklus.

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Für den Alltag müssten solche Systeme viele Millionen Zyklen stabil überstehen, Wärme rasch aufnehmen und wieder abgeben und dabei möglichst wenig Energie verbrauchen. Flächendeckend ersetzen sie etablierte Kühlsysteme daher noch nicht. Erste Einsatzfelder liegen eher dort, wo herkömmliche Technik an Grenzen stößt – bei besonders leisen Geräten etwa oder wenn Kältemittel mit hoher Klimawirkung vermieden werden müssen. Standardisierte Tests und anwendungsnahe Demonstratoren sollen zeigen, welches System zu welcher Anwendung passt.

Ein Kühler, der Abwärme nutzen kann

Forschende des KIT und der Universität Tsukuba haben dafür einen film-basierten, wärmegetriebenen elastokalorischen Kühler entwickelt. Sein Ziel: weniger Strom für die Kühlung, etwa indem Abwärme oder solarthermische Energie genutzt wird. Das System verwendet Formgedächtnislegierungen, kurz SMA, und wandelt Wärme zunächst in mechanische Arbeit und anschließend in Kälte um.

Das Prinzip beruht auf mechanisch ausgelösten Phasenumwandlungen. Wird eine superelastische Formgedächtnislegierung belastet, entsteht Wärme; bei der Entlastung kühlt sie ab. Dünne SMA-Filme sind dafür praktisch, weil sie im Verhältnis zu ihrer Masse eine große Oberfläche besitzen, Wärme schnell übertragen und eine hohe spezifische Kühlleistung ermöglichen.

Bisherige Anlagen greifen meist auf elektrisch betriebene Motoren oder hydraulische Aktoren zurück. Für hohe Kräfte bei kleinen Wegen sind diese Antriebe mechanisch nicht ideal angepasst. Der neue thermische Aktor erreicht ein Kraft-Weg-Verhältnis von 14,5 N/mm, der verwendete kommerzielle elektromechanische Aktor dagegen 1,1 N/mm.

Der Prototyp besteht aus zwei mechanisch gekoppelten Einheiten: einem 22 µm dicken TiNi-Formgedächtnisfilm als thermischem Aktor und einem 26,5 µm dicken TiNiFe-Film als elastokalorischem Kältemittel. Kupfer-Wärmesenken und eine Wärmequelle übertragen die Wärme. Ein Polymerverbinder gibt die Bewegung des Aktors direkt an den Kältemittelfilm weiter. Beide Filme laufen auf reibungsarmen Führungen und sind thermisch weitgehend voneinander isoliert.

Vier Schritte, ein kleiner Temperaturhub

Der Kühlzyklus läuft in vier Schritten ab. Zuerst wird der TiNi-Aktor über seine Austenit-Endtemperatur erwärmt. Er zieht sich zusammen und belastet den TiNiFe-Film. Der erwärmte TiNiFe-Film gibt seine Wärme an eine Wärmesenke ab. Kühlt der Aktor anschließend ab, sinkt seine Kraft; der TiNiFe-Film wird entlastet und kühlt ebenfalls. Danach nimmt der kalte Film Wärme von der zu kühlenden Seite auf.

Die Materialmessungen zeigen, wie kräftig das Geschehen im Film ausfällt: Beim TiNiFe beginnt die Umwandlung bei etwa 400 MPa, vollständig abgeschlossen ist die martensitische Umwandlung bei etwa 470 MPa und 5,2 Prozent Dehnung. Die adiabatische Temperaturänderung des Films beträgt 19,4 K. Beim TiNi-Aktor lag die Spannung bei zwei Prozent Dehnung bei 150 MPa im martensitischen Zustand und 23 °C sowie bei 440 MPa im austenitischen Zustand und 83 °C. Seine Austenit-Start- und -Endtemperaturen betrugen 47,1 beziehungsweise 60,8 °C; die Austenit-Endtemperatur des TiNiFe-Kältemittels lag bei 18,5 °C.

Bei einem Heizstrom von 1,0 A erzeugte der thermische Aktor Hübe von 368 bis 415 µm und Kräfte von mehr als 5,5 N. Die Beladung dauerte länger als 500 Millisekunden. Passive Kühlung verkürzte die Entlastungszeit jedoch von mehr als drei Sekunden auf weniger als eine Sekunde.

In einem separat betriebenen Kühlsystem mit elektromechanischem Aktor wurden bei 4,5 Prozent Dehnung und 2 Hz maximal 8,2 K Temperaturspanne erreicht. Mehr Dehnung und höhere Frequenzen verbesserten die Temperaturspanne. Schnelleres Be- und Entlasten war dabei wirksamer als kürzere Haltezeiten – ein kleines Detail, das in der Praxis schnell zum großen Hebel werden kann.

Die Zahlen aus dem gekoppelten Prototyp

Im gekoppelten System wurde der Aktor per Joule-Erwärmung im Durchschnitt auf 86 °C gebracht. Die Temperaturspanne im Material betrug 12,9 K, auf Geräteebene kamen 4,0 K an. Die spezifische Kühlleistung lag bei 4,43 W/g, die Kühlleistung bei null Temperaturhub bei 2,79 mW. Das System arbeitete mit 0,83 Hz und einer Zyklusdauer von 1,2 Sekunden; die Kühl- und Heizkontakte wurden jeweils 0,5 Sekunden gehalten.

Nach 20 Zyklen verteilte sich die Geräte-Temperaturspanne auf durchschnittlich plus 2,2 K an der warmen Seite und minus 1,8 K an der kalten Seite. Der COP des Kühlsystems betrug je nach Messmethode 2,61 beziehungsweise 2,88. Für den thermischen Aktor wurde ein COP von 0,0327 ermittelt, für das Gesamtsystem 0,0853 – jeweils ohne Rückgewinnung mechanischer Arbeit.

Über 80 Zyklen blieb die Kühlleistung stabil. Der Hub sank leicht, blieb aber über 300 µm. Das ist noch kein Dauerlauf für den Keller eines Rechenzentrums, aber ein belastbarer Hinweis darauf, dass die Konstruktion nicht nach ein paar Durchgängen schlappmacht.

Statt der Joule-Erwärmung wurde auch eine externe feste Wärmequelle getestet. Sie hatte 130 °C. Dabei erreichte das Gerät eine Temperaturspanne von 2,2 K, eine spezifische Kühlleistung von 3,32 W/g und bei null Temperaturhub 2,09 mW Kühlleistung. Auf der warmen Seite wurden etwa plus 1,2 K, auf der kalten etwa minus 1,0 K gemessen. Wurde die Wärmesenke nahe der Umgebungstemperatur gehalten, verbesserte sich die kalte Seite auf minus 1,4 K.

Gegenüber der Joule-erwärmten Variante lagen Temperaturspanne und spezifische Kühlleistung um 1,8 K beziehungsweise 1,11 W/g niedriger. Als Hauptgrund nannten die Forschenden den geringeren Aktorhub, der aus der derzeitigen Geometrie resultiert. Die externe Wärme