Elektrokalorischer Effekt

Kompakter Kühlschrank für heiße Smartphones

Von Manfred Lindinger
 - 10:12

Moderne Computerchips und leistungsfähige Batterien in Smartphones erzeugen im Betrieb große Mengen an Wärme. Um sie vor Überhitzung zu schützen und so Fehlfunktionen der Geräte zu vermeiden, müssen die Bauteile ständig gekühlt werden. Herkömmliche Ventilatoren und Kühlaggregate benötigen wegen ihrer Größe viel Platz und sind für Kleingeräte daher meist ungeeignet. Deshalb sind hier andere Kühlmöglichkeiten gefragt. Wissenschaftler von der University of California in Los Angeles haben eine vielversprechende Lösung gefunden. Sie haben ein kompaktes Kühlmodul auf Basis eines speziellen Kunststoffs entwickelt, das Wärme effizient ableiten kann, wenn man eine daran angelegte elektrische Spannung variiert.

Bei dem Material handelt es sich um ein elastisches Polymer aus der Klasse der Polyvinylfluoride. Dieser Kunststoff zeigt den sogenannten elektrokalorischen Effekt. In einem elektrischen Wechselfeld ändert sich seine innere molekulare Struktur. Dadurch kann er sich erwärmen oder abkühlen. Das Material tut das so effizient, dass ein daraus gefertigter Prototyp ein heißes Testobjekt innerhalb weniger Sekunden um bis zu acht Grad abkühlte, wie Qibing Pei und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“ berichten. Das ist ein beachtlicher Wert: Nur eine Legierung aus Blei, Zirkonium und Titan schafft eine etwas höhere Kühlwirkung. Allerdings ist Letztere schwerer zu handhaben, was die praktischen Anwendung bislang verhindert hat. Das könnte sich mit dem elektrokalorischen Polymer ändern.

Kühlung in Sekundenschnelle

Zur Herstellung ihres Kühlmoduls betteten die Forscher um Pei eine dünne Schicht ihres besonderen Polyvenylfluorids in ein elastisches Acrylat ein und fügten elektrische Kontakte in Form von Kohlenstoff-Nanoröhrchen hinzu. Das sieben Zentimeter lange und einige Millimeter dicke Material plazierten sie schließlich locker zwischen zwei Aluminiumplättchen. Diese hatten unterschiedliche Temperaturen. Damit das Ganze verformbar ist, umgab man es man mit einem elastischen Kunststoffmantel.

Wurde eine Wechselspannung angelegt, haftete die ummantelte Polymerzunge je nach Polarität mal an dem einen, mal an dem anderen Aluminiumplättchen. Dabei nahm sie periodisch Wärmeenergie von dem wärmeren Metall auf, transportierte sie zur kühleren gegenüberliegenden Seite und gab sie dort ab. Auf diese Weise kam es schon nach kurzer Zeit zu einem spürbaren Kühleffekt. Die Wärme würde, so die Forscher, in der Entropie der elektrisch polarisierten Polymermoleküle gespeichert. Wird sie abgegeben, kehrt wieder Ordnung in die Dipole ein.

Um die Leistungsfähigkeit ihres Kühlmoduls zu testen, brachten die Forscher es in Kontakt mit einem fünfzig Grad heißen Lithium-Ionen-Akku. Als sie eine Wechselspannung von rund fünfzig Volt anlegten, sank innerhalb von nur fünf Sekunden die Oberflächentemperatur der Batterie auf 42 Grad. Bei einem längeren Betrieb von 30.000 Schaltzyklen sei kein Leistungsabfall zu beobachten gewesen. Der Kühleffekt ließe sich ohne Schwierigkeit steigern, wenn mehrere Kühlmodule übereinander stapelt, so die Forscher.

Die Testergebnisse hat Pei und seine Kollegen optimistisch gestimmt, dass ihr Aggregat eines Tages tatsächlich überhitze Smartphones effizient kühlen könnte. Der elektrokalorische Kühlschrank ließe sich wegen seiner Elastizität und Verformbarkeit auch als Kühlmittel in intelligenter Kleidung oder in der Robotik verwenden.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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