Kühlende Gummi-Zunge

Flexibles Modul aus einem elektrokalorischen Kunststoff soll Smartphones und schwitzende Jogger kühlen
Dieses flexible Modul kühlt effizient über den elektrokalorischen Effekt spezieller Kunststoffe. Eingesetzt in Sportkleidung könnte es etwa Jogger vor Überhitzung schützen.
Dieses flexible Modul kühlt effizient über den elektrokalorischen Effekt spezieller Kunststoffe. Eingesetzt in Sportkleidung könnte es etwa Jogger vor Überhitzung schützen.
© Qibing Pei et al., UCLA
Los Angeles (USA) - Aktiv kühlende Kleidung könnte Jogger selbst an heißen Tagen vor Überhitzung schützen. Die Basis dazu legte nun eine amerikanische Forschergruppe mit einem dünnen, flexiblen Kühlmodul, in dem ein spezieller, elektroaktiver Kunststoff Wärme effizient ableiten kann. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnte ihr Prototyp die Temperatur eines erhitzten Lithiumionen-Akkus um bis zu acht Grad senken. So könnte diese Kühltechnik zusätzlich zum Einsatz in funktioneller Sportkleidung auch in Smartphones genutzt werden, um die empfindliche Elektronik bei intensiver Nutzung vor Hitzeschäden zu bewahren.

„Das Kühlmodul könnte etwa in den Schuhen oder der Mütze eines Joggers integriert werden, um das Laufen selbst unter der heißen Sonne Südkalifornien angenehmer zu machen“, sagt Qibing Pei von der University of California in Los Angeles. „Es ist wie eine persönliche Klimaanlage.“ Die Forscher nutzten 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 Netzwerk 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 Netzwerk aus Silber-Nanodrähten und einer Schutzschicht aus Polyimid 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 dienende 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. So verändert konnte das Modul abermals zum Kühlen genutzt werden.

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 Forschung 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 zeigte, 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.

© Wissenschaft aktuell


 

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