Cooler Druck Thermoelektrische Wandler kommen jetzt aus dem 3D-Drucker

Ista-Experten gelang jetzt die additive Fertigung von thermoelektrischen Kühlsystemen, die im Vergleich zu üblichen Produkten einige Vorteile mit sich bringen sollen ...

Thermoelektrische Wandler können eine lokale Kühlung bewirken, indem sie elektrischen Strom nutzen, um Wärme von einer Seite des Geräts auf die andere zu übertragen. Ihre lange Lebensdauer, Unempfindlichkeit gegen undichte Stellen, ihre anpassungsfähige Größe und Form und die Abwesenheit beweglicher Teile, wie etwa zirkulierende Flüssigkeiten, machen diese Geräte ideal für verschiedene Kühlanwendungen, wie sie in der Elektronik nötig sind. Ihre Herstellung aus Blöcken eines Materials ist jedoch recht teuer und erzeugt viel Materialabfall. Außerdem hält sich die Leistung der Geräte dann in Grenzen. Nun entwickelte ein Team unter der Leitung von Maria Ibáñez, Verbund-Professorin für Energiewissenschaften und Leiterin des Werner Siemens Thermoelectric Laboratory am Institute of Science and Technology Austria (Ista), zusammen mit dem Erstautor und Ista-Postdoc Shengduo Xu, leistungsstarke thermoelektrische Materialien aus dem 3D-Drucker. So baute man einen entsprechenden thermoelektrischen Kühler. „Die innovative Integration des 3D-Drucks in die Herstellung thermoelektrischer Kühler verbessert die Fertigungseffizienz erheblich und senkt die Kosten“, erklärt Xu. Im Gegensatz zu früheren Versuchen, thermoelektrische Materialien im 3D-Druckverfahren herzustellen, liefere die vorliegende Methode zudem Materialien mit einer wesentlich höheren Leistung. Ista-Professorin Ibáñez führt weiter aus: „Mit einer Leistung auf kommerziell-kompetitivem Niveau hat unsere Arbeit das Potenzial, über die akademische Forschung hinauszugehen, um praktische Relevanz zu erlangen.“

Erweiterte Grenzen bei thermoelektrischen Systemen

Obwohl alle Materialien einen gewissen thermoelektrischen Effekt aufweisen, ist dieser oft zu gering, um nützlich zu sein, sagen die Experten. Werkstoffe, die einen ausreichend hohen thermoelektrischen Effekt aufweisen, sind deshalb in der Regel sogenannte „degenerate semiconductors“ – also dotierte Halbleiter, denen absichtlich Verunreinigungen zugeführt werden, damit sie sich wie Leiter verhalten. Die derzeit modernsten thermoelektrischen Kühler werden mithilfe von Blockfertigungstechniken hergestellt – gewissermaßen aus einem Block ausgeschnitten, wie oben schon angedeutet. Diese relativ teuren und energieintensiven Verfahren, die nach der Produktion umfangreiche Bearbeitungsprozesse erfordern, verschwenden, wie auch schon angemerkt, viel Material. Im Rahmen der aktuellen Arbeit können thermoelektrische Materialien aber im 3D-Druck exakt in der benötigten Form gefertigt werden, wie man weiter betont. Darüber hinaus weisen die daraus resultierenden Geräte einen Netto-Kühleffekt von 50 °C in Luft auf. Das bedeutet, dass diese Materialien ähnlich leistungsfähig sind wie die der üblichen Systeme. Damit biete das daran beteiligte Team aus Ista-Materialwissenschaftern eine skalierbare und günstigere Produktionsmethode für thermoelektrische Materialien, die energieintensive und zeitaufwändige Schritte umgehe.

Verbesserte Ladungsübertragung zwischen den Körnern

Über die Anwendung von 3D-Drucktechniken zur Herstellung thermoelektrischer Materialien hinaus hat das Team die Drucktinten so konzipiert, dass diese beim Verdampfen des Trägerlösungsmittels effektive und robuste atomare Bindungen zwischen den Körnern erreichen. So wird ein atomar verbundenes Materialnetzwerk gebildet. Infolgedessen verbesserten die chemischen Grenzflächenbindungen die Ladungsübertragung zwischen den Körnern. Dies erklärt, wie es dem Team gelungen ist, die thermoelektrische Leistung von 3D-gedruckten Materialien zu verbessern und gleichzeitig neue Erkenntnisse über die Transporteigenschaften poröser Materialien zu gewinnen. Dazu haben sie eine auf dem Extrusionsprozess basierten 3D-Druck angewendet und die Tintenformulierung so konzipiert, dass die Integrität der gedruckten Struktur gewährleistet ist und die Partikelbindung erhöht wird. Außer der schnellen Wärmeableitung mit Blick auf Anwendungen in der Elektronik und tragbaren Geräten könnten thermoelektrische Kühler dieser Art auch in der Medizin eingesetzt werden. Gemeint ist beispielsweise die Behandlung von Verbrennungen und die Linderung von Muskelverspannungen. Darüber hinaus könne die von den Ista-Wissenschaftlern entwickelte Methode zur Tintenformulierung auch auf andere Materialien angewendet werden, die in Hochtemperatur-Thermoelektrogeneratoren zum Einsatz kommen könnten – das sind Geräte, die aus einem Temperaturunterschied elektrische Spannung erzeugen können. Wie es dazu heißt, könnte ein solcher Ansatz die Anwendbarkeit von thermoelektrischen Generatoren in verschiedenen Systemen zur Energiegewinnung aus Abfällen erweitern.

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