Thermoelektrische Kühler, auch Festkörperkühlschränke genannt, ermöglichen lokale Kühlung durch den Transport von elektrischem Strom und Wärme von einer Seite des Geräts auf die andere. Sie werden unter anderem in elektronischen Geräten eingesetzt, die ein schnelles Wärmemanagement benötigen. Aufgrund ihrer langen Lebensdauer, Unempfindlichkeit gegenüber Lecks, Anpassungsfähigkeit in Größe und Form sowie des Fehlens beweglicher Teile eignen sich thermoelektrische Kühler ideal für unterschiedlichste Kälteanwendungen. Allerdings ist ihre Herstellung mit hohen Kosten verbunden, und die Leistung ist stark begrenzt. Forscher des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) nutzen nun eine 3D-Drucktechnik zur Herstellung hochleistungsfähiger Materialien – ein Ansatz, der die Produktionskosten künftig senken könnte.
Grundsätzlich zeigen alle Materialien in gewissem Maße einen thermoelektrischen Effekt, dieser ist jedoch oft zu gering, um praktisch genutzt zu werden. Materialien mit einem ausreichend starken thermoelektrischen Effekt nennt man zudem entartete Halbleiter. In diese werden dann gezielt Verunreinigungen eingebracht, damit sie sich wie Leiter verhalten. Derzeit werden thermoelektrische Kühler mittels ingotbasierter Fertigungsverfahren hergestellt – eine teure Methode, die eine aufwendige Nachbearbeitung erfordert und viel Material verschwendet. „Mit unserer aktuellen Arbeit können wir thermoelektrische Materialien exakt in der benötigten Form 3D-drucken. Darüber hinaus zeigen die resultierenden Geräte einen Nettokühleffekt von 50 Grad in der Luft. Das bedeutet, dass unsere 3D-gedruckten Materialien eine vergleichbare Leistung zu deutlich teureren, herkömmlich hergestellten Materialien erbringen“, betont Shengduo Xu.
Abayomi Lawal bedient den 3D-Drucker. (Bild: © WSS, Foto: Felix Wey, Baden)
Zusätzlich entwickelte das Team die Tinten so, dass sich beim Verdampfen des Trägerlösungsmittels robuste Atombindungen zwischen den Körnern bilden. Dadurch entsteht ein atomar verbundenes Materialnetzwerk, das die chemischen Verbindungen an den Grenzflächen verbessert und den Ladungstransfer zwischen den Körnern optimiert. Dies steigert die thermoelektrische Leistung der 3D-gedruckten Materialien und ermöglicht neue Erkenntnisse über die Transporteigenschaften poröser Materialien. „Wir haben ein extrusionsbasiertes 3D-Druckverfahren eingesetzt und die Tintenformulierung weiterentwickelt, um die strukturelle Integrität der gedruckten Materialien zu gewährleisten und die Partikelbindung zu verbessern. Dadurch konnten wir die ersten thermoelektrischen Kühler aus gedruckten Materialien mit einer Leistung herstellen, die mit ingotbasierten Geräten vergleichbar ist – und gleichzeitig Material und Energie einsparen“, erklärt Ibáñez.
Die Forscher erklären auch, dass die Integration der additiven Fertigung die Effizienz thermoelektrischer Kühler insgesamt verbessert und zudem Materialien mit erheblich höherer Leistung hervorbringt. ISTA-Professorin Ibáñez ergänzt: „Da unsere Arbeit eine Leistung auf kommerziellem Niveau bietet, hat sie das Potential, über die akademische Welt hinauszugehen, praktische Relevanz zu erlangen und das Interesse von Industrien zu wecken, die nach realen Anwendungen suchen.“
Links: Co-Autorin und Expertin für Elektronenmikroskopie Sharona Horta. Rechts: Die Studienautoren im Labor des ISTA (Bild: © WSS, Foto: Felix Wey, Baden)
Neben der schnellen Wärmeregulierung in elektronischen Geräten könnten die Kühler auch in medizinischen Anwendungen zum Einsatz kommen, etwa zur Behandlung von Verbrennungen oder Muskelverspannungen. Zudem könnte die Tintenformulierungsmethode auf andere Materialien übertragen werden, die in thermoelektrischen Hochtemperaturgeneratoren genutzt werden. Ein solcher Ansatz würde die Anwendungsmöglichkeiten thermoelektrischer Generatoren in unterschiedlichen Systemen zur Rückgewinnung von Abwärme erweitern. Ibáñez betont: „Wir haben erfolgreich einen ganzheitlichen Ansatz umgesetzt – von der Optimierung der thermoelektrischen Leistung der Rohstoffe bis hin zur Herstellung eines stabilen, leistungsstarken Endprodukts.“ Damit stellt diese Arbeit eine bahnbrechende Lösung für die Produktion thermoelektrischer Geräte dar und leitet zugleich eine neue Ära nachhaltiger thermoelektrischer Technologien ein. Mehr über das Projekt erfahren Sie HIER.
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*Alle Bildnachweise: © ISTA und © WSS, Felix Wey, Baden