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Die Energie, die wir für die Kühlung von Innenräumen aufwenden, hat sich seit 1990 verdreifacht und wird sich bis 2050 noch einmal verdreifachen, wenn die Entwicklungsländer und Länder mit mittlerem Einkommen die Klimatisierung übernehmen. Forscher arbeiten mit Hochdruck an innovativen Kühltechnologien, die weniger Energie verbrauchen, aber keine scheint in naher Zukunft einsatzbereit zu sein.
"Klimatisierungsinnovationen sind wie die Kernfusion, immer 20 Jahre in der Zukunft", sagt Lin Kayser, CEO von Hyperganic, einer KI-basierten Design-Softwarefirma in München.
Kayser möchte dies mithilfe von KI und 3D-Druck ändern. Durch den Einsatz von KI zur Entwicklung eines radikal neuen Wärmetauscherdesigns, das dann mit einem 3D-Metalldrucker gedruckt werden kann, entwickelt Hyperganic nach eigenen Angaben ein Klimagerät für Wohngebäude, das zehnmal so effizient ist wie herkömmliche Klimaanlagen, während es in der Anschaffung und im Betrieb über ein Jahr hinweg gleich viel Geld kostet.
Das Unternehmen hat sich mit dem in Krailling ansässigen Unternehmen EOS, einem Hersteller von 3D-Druckern aus Metall und Kunststoff, und dem in den Vereinigten Arabischen Emiraten ansässigen Fertigungsunternehmen Strata Manufacturing zusammengetan.
Klimaanlagen kühlen Gebäude, indem sie Innenwärme durch den Wärmetauscher oder die Kondensatoreinheit, die ein Kältemittelgas zu Flüssigkeit komprimiert, nach außen pumpen. Ventilatoren blasen über den Kondensator, um die beim Verflüssigungsprozess freigesetzte Wärme in die Luft zu blasen. Die Kühlung verbraucht heute über 16 Prozent der Energie, die Gebäude verbrauchen, wobei der Wärmetauscher die energieintensivste Komponente einer Klimaanlage ist.
Wärmetauscher sind Strukturen, die eine große Oberfläche benötigen, wofür sie auf komplizierte, gekrümmte Innenkanäle angewiesen sind. Die traditionelle Konstruktion und Fertigung ist jedoch in ihrer Komplexität begrenzt und bevorzugt einfachere Konstruktionen, um die Kosten niedrig zu halten. "Jede Sekunde werden 10 Klimageräte verkauft", sagt Kayser. "Aber Klimageräte sehen seit 30 Jahren gleich aus.
Die komplexen Designs, die für Wärmetauscher erforderlich sind, sind jedoch Sweet Spots sowohl für KI-basiertes Design als auch für 3D-Druck. Neue Prototyp-Wärmetauscher sind in der Tat zur Anlaufstelle für Metalldruckunternehmen geworden, die die Leistungsfähigkeit der Technologie demonstrieren wollen.
Hyperganic hat es sich zur Aufgabe gemacht, "die Innovation im Bereich der Technik physischer Dinge drastisch zu beschleunigen". Die meisten Innovationen der letzten Jahrzehnte seien im Bereich der Informationstechnologie zu verzeichnen gewesen, während Autos, Flugzeuge und Haushaltsgeräte ihren ursprünglichen Zustand beibehalten hätten, sagt er. Die KI-basierte Designplattform von Hyperganic ermöglicht es Ingenieuren, Wärmetauscher mit radikal anderen Strukturen zu entwickeln, wobei Elemente verwendet werden, die von den komplizierten Designs in der Natur inspiriert sind, wie z. B. Korallen, sagt Kayser. Durch die Vergrößerung der Oberfläche und die Optimierung des Luftstroms steigern diese Designs die Energieeffizienz der Komponente. "Wir nehmen das Wissen aus dem Ingenieurwesen, wie man einen Wärmetauscher baut, aber jetzt kann man es automatisch tun", sagt er. "Man kann ihn schneller erstellen, testen und optimieren.
Ein typisches Beispiel: das weltweit größte gedruckte Aerospike-Raketentriebwerk, das im Mai von Hyperganic und EOS vorgestellt wurde. Aerospike-Triebwerke gelten im Allgemeinen als schwierige technische und fertigungstechnische Herausforderung. Die KI-Algorithmen von Hyperganic haben innerhalb weniger Tage Hunderte von Designs erstellt. Das beste Design wurde auf der Laser-Pulverbett-Fusionsmaschine von EOS gedruckt, die Laser verwendet, um Metallpulver Schicht für Schicht zu erhitzen und zu verschmelzen, um Teile zu bauen.
Innovationen im Bereich der Klimatisierung haben in einer sich erwärmenden, energiehungrigen Welt Priorität. Neuartige Technologien wie thermoelektrische Materialien und passive Strahlungskühlung, bei der die Wärme direkt in den Weltraum geleitet wird, sind aufregend, aber es könnte viele Jahre dauern, bis sie kommerziell nutzbar sind. Hyperganic macht nichts, was so radikal ist, dass es kurzfristig nicht praktikabel wäre. "Was wir tun, ist keine Raketenwissenschaft", sagt Kayser. "Wir versuchen, fortschrittliche Fertigungsmöglichkeiten und KI zusammenzubringen. Es ist nicht so kompliziert, wie etwas völlig Neues zu erfinden."
Er fügt hinzu, dass das Unternehmen bereits viele neue Entwürfe für einen neuen Wärmetauscher für Klimaanlagen hat und für einige davon Leistungsdaten vorliegen. Sie planen, bis zur UN-Klimakonferenz in Dubai im nächsten Jahr einen Prototyp fertig zu stellen.