Ein neues Kühlsystem, das von der UCLA entwickelt wurde, besteht aus sechs dünnen Schichten von Polymerfilmen, die mit Nanoröhren beschichtet sind.
Quelle: Soft Materials Research Lab der UCLA
Das Herzstück dieser Technologie sind ferroelektrische Polymerfilme, die unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes sowohl ihre Temperatur (elektrokalorischer Effekt) als auch ihre Form (Elektrostriktion) ändern. Dieser Prozess, der abwechselnd Kompression und Expansion umfasst, ermöglicht eine kontinuierliche Wärmeabfuhr. Im Gegensatz zu herkömmlichen Klimaanlagen benötigt dieses Gerät keine Kältemittel, wodurch seine Umweltauswirkungen reduziert werden.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Qibing Pei, Professor für Materialwissenschaften an der UCLA, hat eine Kaskade von Polymerfilmen entwickelt, um die Effizienz des Wärmetransfers zu maximieren. Diese Architektur ermöglicht einen Temperaturunterschied von 14,2 °C.
Das Team sieht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für diese Technologie, insbesondere im Bereich tragbarer Kühlgeräte. Diese Geräte könnten eine energieeffiziente Lösung für Arbeiter bieten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Die Vorteile dieses Geräts sind seine Einfachheit, Energieeffizienz und das Potenzial zur Integration in tragbare Systeme. Die Forscher betonen die Bedeutung der Entwicklung alternativer Kühltechnologien angesichts des globalen Temperaturanstiegs.
Das Gerät wurde im Labor getestet und zeigte seine Fähigkeit, eine kontinuierliche Kühlung aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht und markieren einen wichtigen Schritt hin zu praktischen Anwendungen.
Die Polymerfilme des Geräts dehnen sich und ziehen sich wie ein Akkordeon zusammen, um Wärme von einer Quelle abzupumpen und sie so zu kühlen.
Quelle: Soft Materials Research Lab der UCLA
Neben potenziellen Anwendungen in tragbaren Technologien könnte dieses Gerät auch zur Kühlung flexibler elektronischer Komponenten eingesetzt werden. Die Forscher arbeiten derzeit an der Optimierung dieser Technologie für den großflächigen Einsatz.
Was ist der elektrokalorische Effekt?
Der elektrokalorische Effekt ist ein physikalisches Phänomen, bei dem ein Material seine Temperatur als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld ändert. Diese Änderung erfolgt durch die Neuausrichtung der elektrischen Dipole im Material, was seine Entropie und damit seine Temperatur verändert.
Im Kontext von Kühlgeräten ermöglicht der elektrokalorische Effekt das Abpumpen von Wärme von einem Bereich in einen anderen, ohne Kältemittel zu verwenden. Dies macht Kühlsysteme umweltfreundlicher und potenziell effizienter.
Elektrokalorische Materialien sind besonders vielversprechend für tragbare Anwendungen aufgrund ihrer Flexibilität und ihres geringen Energieverbrauchs.
Die Forschung zum elektrokalorischen Effekt eröffnet neue Wege für die Entwicklung alternativer Kühltechnologien, die im Kontext der globalen Erwärmung unerlässlich sind.
Wie funktionieren ferroelektrische Polymere in diesem Gerät?
Ferroelektrische Polymere sind Materialien, die unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Temperatur und Form ändern. Im Kühlgerät der UCLA sind diese Polymere in dünnen Schichten angeordnet, die jeweils mit Kohlenstoffnanoröhren beschichtet sind, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, komprimieren sich die Polymerschichten (Elektrostriktion) und geben Wärme ab (elektrokalorischer Effekt). Wenn das elektrische Feld entfernt wird, entspannen sich die Schichten und absorbieren Wärme aus der Umgebung. Dieser Zyklus von Kompression und Expansion ermöglicht einen kontinuierlichen Wärmetransfer.
Diese Mechanik, die einem Akkordeon ähnelt, ist sowohl einfach als auch effektiv. Sie ermöglicht es dem Gerät, ohne komplexe bewegliche Teile zu funktionieren, wodurch das Ausfallrisiko und der Wartungsbedarf reduziert werden.
Die Verwendung von ferroelektrischen Polymeren in Kühlgeräten stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der intelligenten Materialien dar und bietet innovative Lösungen für das thermische Management.