Kühler Kopf dank Elektrokalorik

Kühlmodule aus einem Festkörper ohne Kühlkreislauf mit Gasen oder Flüssig­keiten könnten kleiner konstru­iert und leicht in Elek­tronik oder Kleidung inte­griert werden. Viele Ansätze nutzten bereits elektro­kalorische Poly­mere, die in einem elek­trischen Feld als Kühl­körper geeignet sind. Doch ver­hin­derte eine zu geringe Effi­zienz ihren Ein­satz. Dieses Problem konnten nun Wissen­schaftler aus den USA mit einem elektro­kalo­rischen, flexi­blen Modul lösen, das über elektro­statische Anzie­hung wechsel­weise Wärme­quelle und Wärme­senke kontak­tiert und so als eine Art Wärme­pumpe wirkt. Mög­liche Anwen­dungen sehen die Forscher zur Kühlung von Elek­tronik und Akkus oder auch für eine aktiv kühlende Sport­kleidung.

Qibing Pei und seine Kollegen von der University of Cali­fornia in Los Angeles nutzen ein elektro­kalo­risches Polymer aus der Klasse der Poly­vinyl­fluoride. Eine dünne Schicht dieses Kunst­stoffs lami­nierten sie zwischen zwei flexible Schichten aus Poly­methyl­meta­crylat und ergänzten es mit einem Netz aus elek­trisch leiten­den Nano­röhr­chen aus Kohlen­stoff. So ent­stand eine sieben Zenti­meter lange und drei Zenti­meter breite flexible Kühl­zunge. Diese hängten sie lose in eine wenige Milli­meter flache Kammer mit dünnen Alumi­nium­plätt­chen an Ober- und Unter­seite, die ihrer­seits mit einem Netz aus Silber-Nano­drähten und einer Schutz­schicht aus Poly­imid (Kapton) bedeckt waren.

Die Kühlzunge haftete über kleine elektrische Spannungen schalt­bare, elektro­sta­tische Kräfte abwech­selnd an der oberen und unteren Kammer­wand. An der unteren, zu kühlen­den Alumi­nium­schicht nahm sie etwas Wärme auf. Dabei stieg die Entropie des elektro­kalo­rischen Polymers, da die elek­trischen Dipole im Polymer in Unord­nung gerieten. Danach löste sich die Kühl­zunge und konnte von der oberen, als Wärme­senke dienen­den Alumi­nium­schicht elektro­statisch ange­zogen werden. Hier ange­haftet gab sie die auf­ge­nom­mene Wärme wieder ab. Zudem wurde in dieser Phase des Kühl­zyklus ein elek­trisches Feld mit bis zu 67 Mega­volt pro Meter auf­ge­baut. Dieses Feld wirkte auf das elektro­kalo­rische Polymer und richtete die Dipole wieder parallel aus.

Um die Kühlleistung ihres Prototyps zu testen, legten sie ihn auf einen 52 Grad Celsius warmen flachen Lithium­ionen-Akku. Die Kühl­zunge wurde mit einer Frequenz von einem Hertz zwischen Wärme­quelle und Wärme­senke hin und her geschaltet. Schon nach fünf Sekunden ließ sich der Akku um acht Grad abkühlen. Die für diesen Kühl­prozess nötige Leistungs­dichte betrug ledig­lich zwei Milli­watt pro Quadrat­zenti­meter pro Zyklus. Insge­samt bezif­ferten Pei und Kollegen die Kühl­leistung ihres Moduls auf 2,8 Watt pro Gramm. Damit erwies sich der Proto­typ etwa 150 Mal effi­zienter als zuvor ent­wickelte Module auf der Basis von elektro­kalo­rischen Keramiken.

Bei den Versuchen schalteten die Forscher ihre Kühlzunge bis zu 30.000 Mal, ohne dass Schäden oder Ein­bußen in der Kühl­effi­zienz auf­traten. Daher gehen sie davon aus, dass diese Kühl­module durch­aus für einen längeren Einsatz geeignet sein sollten. Von großem Vor­teil seien nach Meinung der Forscher die Flexi­bi­lität der Module, der flache Auf­bau und die nahezu belie­bige Form­bar­keit. Für eine Ver­stär­kung des Kühl­effekts schlagen sie eine Stape­lung mehrerer Kühl­module über­ein­ander vor.

Wie der Laborversuch zeigt, könnten diese Kühlmodule in Smart­phones oder Laptops inte­griert werden, um voll­kommen geräusch­los ein gefähr­liches Auf­heizen der Elek­tronik oder des Lithium­ionen-Akkus zu ver­meiden. Weiter in der Zukunft sehen die Forscher den Ein­satz in aktiv kühlender Kleidung, die mit diesen flachen Modulen und kleinen Batte­rien als Strom­quelle aus­ge­stattet werden könnten. „Das Kühl­modul könnte etwa in den Schuhen oder der Mütze eines Joggers inte­griert werden, um das Laufen selbst unter der heißen Sonne Süd­kali­forniens ange­nehmer zu machen“, sagt Qibing Pei. „Es ist wie eine persön­liche Klima­anlage.“

Jan Oliver Löfken

RK