Getarnter Wärmefluss

Thermoelektrische Module können dank des Peltier-Effekts Wärme in elektrischen Strom umwandeln. Dank dieses umkehrbaren Phänomens sind Peltier-Elemente sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen geeignet. Die Arbeitsgruppe um Baile Zhang von der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur ging nun über diese Anwendung deutlich hinaus. Über die geschickte Anordnung und Steuerung solcher Elemente erschufen sie eine thermische Tarnkappe, die sich aktiv schalten ließ. Auf der Basis ihres Prototyps könnten nun ausgeklügelte Kühlmechanismen etwa für schnell getaktete Prozessoren entwickelt werden.

Das Verhalten ihrer aktiven, thermischen Tarnkappe demonstierten Zhang und Kollegen an einer 20 Zentimeter langen und zehn Zentimeter breiten Stahlplatte. In diese bohrten sie ein Loch von gut sechs Zentimetern Durchmesser. Um diese Bohrung ordneten sie 24 thermoelektrische Module an, die sie vor einem Wärmefluss versuchten quasi zu verstecken. Den Einfluss der thermoelektrischen Module verfolgten die Wissenschaftler mit einer Wärmekamera.

Für die Experimente wurde eine Seite der Stahlplatte auf 60 °C aufgeheizt, die gegenüberliegende Seite auf 0 °C gekühlt. Nicht aktiviert breitete sich die Wärme von der heißen zur kalten Seite aus, wobei dieser Wärmefluss maßgeblich durch die Lochbohrung beeinflusst wurde. Dieses Verhalten änderte sich schlagartig, sobald alle thermoelektrischen Module mit unterschiedlichen, kleinen Spannungen aktiviert wurden. Auf der heißen Seite vor der Lochbohrung nahmen sie Wärme auf und gaben sie an einen Kupferblock unterhalb der Stahlplatte ab. Auf der gekühlten Seite hingegen gaben die thermoelektrischen Module wieder Wärme an die Stahlplatte ab. Der Blick durch die Wärmekamera zeigte, dass sich die Wärme exakt so durch die Stahlplatte ausbreitete, als ob es die Lochbohrung überhaupt nicht gäbe. Dieser Bereich wurde also vor der Wärme thermisch getarnt.

Dieses Experiment belegt, dass sich über unterschiedliche Stromflüsse kontrollierte, thermoelektrische Module der Wärmefluss durch ein Material effizient steuern ließ. Die Form des zu tarnenden Bereichs spielte dabei keine Rolle, wie Zhang und Kollegen an einer rechteckigen statt einer kreisförmigen Aussparung in der Stahlplatte zeigen konnten. In beiden Fällen versteckten die thermoelektrischen Module diese Bereiche vor dem Wärmefluss. Als Anwendung planen die Forscher, hitzeempfindliche elektronische Bauteile mit ihrer aktiven, thermischen Tarnkappe von einem unerwünschten Wärmefluss abzuschirmen.

Thermische Tarnkappen lassen sich aber auch ohne thermoelektrische Module aus einer strukturierten Platte aus Kupfer und Silikon-Kunststoffen fertigen. Schon vor gut zwei Jahren demonstrierten Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dass ein solches Metamaterial den Wärmefluss um einen getarnten Bereich herumführen konnte. Mit einer einfachen Wärmeisolation ist dieser Effekt nicht zu verwechseln. Denn der Wärmefluss über das gesamte Testobjekt verlief genau so, als ob der getarnte Bereich überhaupt nicht vorhanden gewesen wäre.

Im Unterschied zu dem neuen Ansatz der Thermotarnung aus Singapur war die Karlsruher Tarnkappe jedoch passiv und konnte nicht geschaltet werden. Beide Strategien haben das Potenzial, zu einem besseren Wärmemanagement nicht nur für elektronische Bauteile, sondern auch in Maschinen oder Kraftwerken zu führen.

Jan Oliver Löfken

PH