Energieeffiziente Kühlung per Ionenwind
Neuartigen Luftstromverstärker für Ionenwind könnte beim Kühlen von Datenzentren und Hochleistungselektronik zum Einsatz kommen.
Rechenzentren verschlingen Unmengen an Energie – etwa vierzig Prozent davon allein für die Kühlung der Mikroprozessoren. Neuartige Kühlmethoden mittels Ionenwind könnten den Energieverbrauch drastisch senken. Diese nutzen elektrostatische Felder, um elektrischen Strom direkt und energieeffizient in einen Luftstrom umzuwandeln. Die geringen Geschwindigkeiten des erzeugten Luftstroms verhinderten bisher einen breiten Einsatz. Jetzt ist dem Empa-Spin-off „Ionic Wind Technologies“ ein Durchbruch gelungen: Ihr Luftstromverstärker beschleunigt – dank neuartigen Elektroden kombiniert mit strömungstechnisch optimierter Gehäuseform – Ionenwind viel stärker als bisher. Wenn beispielsweise herkömmliche Lüfter in Datenzentren durch ihre patentierte Technologie ersetzt würden, könnte bis zu sechzig Prozent der Kühlenergie eingespart werden.
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„Wir beschleunigen Luft unmittelbar, indem wir sie elektrisch aufladen. Da der elektrische Strom so direkt in einen Luftstrom umgewandelt wird, fallen die energiefressenden und lauten Zwischenschritte über einen Motor, Rotor oder Lüfterflügel weg“, erläutert Spin-off-Gründer Donato Rubinetti das Grundprinzip des Ionenwinds. Dieses wurde bereits erfolgreich in einem an der Empa entwickelten, nichtthermischen Trocknungsverfahren für Früchte eingesetzt. Im Rahmen eines Innosuisse-Projekts wurde die Technologie weiterentwickelt, sodass der Luftstrom mehr als verdreifacht werden konnte.
Das Kernstück des patentierten Luftstromverstärkers für Ionenwind sind Nadelelektroden. Diese erzeugen Ionenwind viel effizienter als die bisher verwendeten Drähte. Doch damit nicht genug: Die Nadelspitzen werden in ein Gehäuse eingebaut, das sich den Coandă-Effekt zunutze macht. Dieses strömungstechnische Prinzip wird auch bei Tragflächen von Flugzeugen oder Dyson-Ventilatoren genutzt – es nutzt lokale Druckunterschiede, um das Volumen von Luftströmen zu vervielfachen. „Diese beiden Neuerungen sind in Kombination ein Riesen-Fortschritt und verschmelzen zum `Ionic Wind Amplifier´, der mit deutlich besserer Leistung völlig neue Anwendungsfelder erschliesst“, so Rubinetti.
Bisher wurden nur unveränderte Standardprodukte wie Baunägel als Nadelelektroden für Ionenwind verwendet. „Unsere maßgefertigten Nadelspitzen erreichen bis zu doppelt so hohe Geschwindigkeiten des Luftstroms im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden – und das sogar mit weniger Energie“, sagt Rubinetti. „Eine Spitze ist nicht unendlich spitz, sondern verfügt am Ende doch noch über eine Rundung. Diese spielt eine extrem wichtige Rolle für die Leistung der Nadelelektroden.“ Anfangs wurde der Luftstromverstärker mit Drähten simuliert. Im Labor reagierten diese jedoch anders als am Computer berechnet, sodass Rubinettis Team auf Nadelspitzen umstellte.
Eine unerwartet perfekte Lösung für das Empa-Spin-off: Denn diese Art von Elektroden erzeugt nicht nur eine sehr starke Asymmetrie im elektrostatischen Feld, wodurch der Luftstrom gerichtet und dadurch verstärkt wird. Die Spitzen lassen sich zudem auch viel kompakter in Gehäusen unterbringen als Drähte. „Ab diesem Zeitpunkt ging es nur noch darum, die Spitzen systematisch zu optimieren“, so der Spin-off-Gründer. Die Herstellung der Nadelspitzen nach Maß war aber alles andere als einfach. Dabei wurde er von den Werkstatt-Spezialisten an der Empa in St. Gallen beraten und unterstützt, die die Spitzen aus Wolfram für die Experimente auch gleich herstellten, und Wege für die Kostensenkung vorschlugen. „Für uns als Start-up ist es wichtig, dass wir künftig Spitzen mit identischen Eigenschaften in großen Mengen günstig herstellen können“, sagt Rubinetti.
Die entwickelte Technologie eignet sich laut Rubinetti für Industrien, die auf Kühlsysteme, Trocknungsvorgänge und Luftreinigung angewiesen sind. „Ich sehe das Potenzial überall dort, wo Luft mit kleinem Druckunterschied bewegt werden soll. Künftig aber vor allem bei der Kühlung von Computern, Servern oder Datenzentren.“ Der patentierte „Ionic Wind Amplifier“ muss sich im Vergleich zu herkömmlichen Geräten nicht verstecken – im Gegenteil: Luftströme lassen sich damit um bis zu sechzig Prozent effizienter bewegen. Und je nach Anwendung kann noch deutlich mehr Energie eingespart werden: Gerade bei der Trocknung von Lebensmitteln gibt es auf Prozessebene einen zusätzlichen Effizienzgewinn, da die Heizelemente wegfallen.
Empa / RK
