Kontrollierte Hitze: Schaltbarer Tarnmantel für Wärme

Singapur (Singapur) - Mit streng symmetrisch aufgebauten Strukturen, sogenannten Metamaterialien, lassen sich Tarnkappen für sichtbares Licht und auch Schallwellen konstruieren. Von diesen Entwicklungen haben sich nun Wissenschaftler aus Singapur inspirieren lassen und fertigten einen schaltbaren Tarnmantel für Wärme. Wie sie in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ berichten, könnten mit ihrem Ansatz schnell getaktete Prozessoren oder andere elektronische Systeme in Zukunft effizienter gekühlt werden.

„Wir können den Wärmefluss elektrisch kontrollieren, indem wir Wärme um ein Objekt quasi herum pumpen“, sagt Baile Zhang von der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur. Mit seinen Kollegen ordnete er dazu 24 thermoelektrische Module auf einer Stahlplatte an. Diese nur etwa sechs Millimeter kleinen Module umreihten eine Lochbohrung von gut sechs Zentimeter Durchmesser. Elektrisch durch kleine Spannungspulse aktiviert beeinflussten diese Module den Wärmefluss durch die Stahlplatte von einem 60 Grad heißen zum gegenüberliegenden, auf 0 Grad gekühlten Ende.

Mit einer Wärmekamera analysierten die Wissenschaftler die Auswirkung der thermoelektrischen Module. Elektrisch aktiviert breitete sich die Wärme exakt so durch die Stahlplatte aus, als ob es die Lochbohrung überhaupt nicht gäbe. Dieser Bereich wurde also vor der Wärme thermisch getarnt. Dazu nahmen die Module auf der aufgeheizten Seite Wärme auf und gaben sie an einen Kupferblock ab. Die Module auf der kalten Seite konnten hingegen diese Wärme wieder aufnehmen und an die Stahlplatte zurückgeben. Wurden umgekehrt die thermoelektrischen Module nicht aktiviert, dominierte der Einfluss der Lochbohrung auf den Wärmefluss.

Dieser aktiv kontrollierbare Tarnmechanismus basiert auf dem sogenannten Peltier-Effekt. Dank diesem können thermoelektrische Module Wärme aufnehmen und in Strom umwandeln oder umgekehrt. Peltier-Elemente sind daher sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen geeignet. Das nun durchgeführte Experiment belegt, dass über unterschiedliche Stromflüsse kontrollierte, thermoelektrische Peltier-Elemente den Wärmefluss durch ein Material effizient steuern können. Hitzeempfindliche Objekte wie etwa elektronische Bauteile könnten mit dieser aktiven, thermischen Tarnkappe von einem unerwünschten Wärmefluss abgeschirmt werden.

Thermische Tarnkappen lassen sich aber auch ohne thermoelektrische Module einfacher 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.