3D-gedruckte thermoelektrische Materialien für effizientere Kühlung und Energiegewinnung
Ein Forscherteam des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hat eine 3D-Drucktechnik entwickelt, um thermoelektrische Materialien kostengünstiger und effizienter herzustellen. Die Methode reduziert Materialverschwendung und ermöglicht leistungsfähige Kühler für Elektronik, Medizintechnik und Energierückgewinnung. Die 3D-gedruckten Materialien erreichen eine vergleichbare Leistung zu konventionellen Lösungen. Diese Technologie könnte die industrielle Fertigung nachhaltiger und wirtschaftlicher gestalten.
3D-Druck von Pellets zur Messung thermoelektrischer Eigenschaften.
Foto: WSS / Felix Wey, Baden
Schnelles, lokales Wärmemanagement ist für elektronische Geräte essenziell und spielt auch in der Medizintechnik eine immer wichtigere Rolle. Thermoelektrische Materialien bieten das Potenzial, sowohl für effiziente Kühlung als auch für die Energiegewinnung eingesetzt zu werden. Allerdings sind konventionelle Herstellungsverfahren oft ineffizient, teuer und mit hohem Materialverlust verbunden. Ein Forscherteam des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hat nun eine innovative 3D-Drucktechnik entwickelt, die leistungsfähige thermoelektrische Materialien kostengünstig und ressourcenschonend produziert. Durch den 3D-Druck können thermoelektrische Kühler gefertigt werden, die in ihrer Effizienz mit konventionell hergestellten Geräten vergleichbar sind – bei deutlich reduzierten Produktionskosten.
Mit Zinn-Schaum werden Lithium-Ionen-Batterien leistungsfähiger
Abayomi Lawal bedient den 3D-Drucker.
Foto: WSS / Felix Wey, Baden
Thermoelektrische Kühler: Effiziente Temperaturregulierung für vielfältige Anwendungen
Thermoelektrische Wandler ermöglichen eine gezielte Temperaturregulierung, indem sie elektrische Energie nutzen, um Wärme zu transportieren. Sie werden beispielsweise in elektronischen Geräten eingesetzt, um Überhitzung zu vermeiden. Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlungssystemen bieten thermoelektrische Kühler mehrere Vorteile:
- Lange Lebensdauer und Wartungsfreiheit: Keine beweglichen Teile oder zirkulierenden Flüssigkeiten
- Flexibilität in Größe und Form: Anpassbar an verschiedene Anwendungen
- Hohe Zuverlässigkeit: Mechanisch stabil und unempfindlich gegenüber Lecks
Allerdings war die Herstellung solcher Geräte bislang teuer und mit erheblichem Materialverlust verbunden. Das ISTA-Forschungsteam hat nun eine Methode entwickelt, mit der thermoelektrische Materialien direkt im 3D-Druckverfahren hergestellt werden können, ohne dass aufwendige Nachbearbeitungen oder materialintensive Fertigungsprozesse erforderlich sind.
Bauteilschonend und spannungsarm kleben
Elektronenmikroskopie Expertin Sharona Horta.
Foto: WSS / Felix Wey, Baden
3D-Drucktechnik steigert Effizienz thermoelektrischer Materialien
Die von ISTA entwickelte Methode nutzt einen extrusionsbasierten 3D-Druck, um thermoelektrische Materialien mit hoher Präzision zu fertigen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen aus Blöcken („Barren“) geschnitten wird, ermöglicht der 3D-Druck eine maßgeschneiderte Produktion direkt in der benötigten Form.
Laut den Forschenden erlaubt die Methode eine präzisere Gestaltung der Materialstruktur, was die Leistung der Kühler verbessert. Durch eine optimierte Tintenformulierung entstehen beim Verdampfen des Lösungsmittels stabile atomare Bindungen zwischen den Partikeln. Dies führt zu einer verbesserten Ladungsübertragung und einem höheren Wirkungsgrad der gedruckten Materialien.
Die Ergebnisse sind vielversprechend: Die neu entwickelten 3D-gedruckten thermoelektrischen Kühler erreichten einen Netto-Kühleffekt von 50 Grad Celsius – vergleichbar mit konventionellen Lösungen, jedoch deutlich ressourcenschonender.
Neue antimikrobielle Textilien bieten Langzeitschutz vor Infektionen
Die Autor:innen der Studie am ISTA. Von links nach rechts: Sharona Horta, Verbundprofessorin für Energiewissenschaften und Leiterin des Werner Siemens Thermoelectric Laboratory, Maria Ibáñez, Abayomi Lawal, Magali Lorion und der Erstautor Shengduo Xu.
Foto: ISTA
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Von Elektronik bis Medizintechnik
Die Anwendungsmöglichkeiten für die neue Technologie sind breit gefächert:
- Elektronische Geräte: Schnelle und präzise Kühlung von Mikrochips, Sensoren und anderen empfindlichen Bauteilen
- Tragbare Technologien: Integration in Wearables zur Temperaturregulierung
- Medizinische Anwendungen: Kühlung zur Behandlung von Verbrennungen oder Muskelverspannungen
- Energiegewinnung: Thermoelektrische Generatoren, die Abwärme in elektrische Energie umwandeln
Neben der Kühlung ermöglicht die Technologie auch die Entwicklung effizienter Hochtemperatur-Thermoelektrogeneratoren, die sich für die Energierückgewinnung aus industriellen Prozessen eignen.
Neue Prüfmethoden für langlebigere Rotorblätter
Nachhaltigkeit und Zukunftsperspektiven der Technologie
Durch den geringeren Materialverbrauch und die energieeffiziente Herstellung bietet die 3D-Drucktechnologie einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Produktion thermoelektrischer Geräte. Die Forschenden betonen, dass die Methode nicht nur wirtschaftlich vorteilhaft ist, sondern auch neue Maßstäbe für die industrielle Fertigung setzen könnte.
Die Leiterin des Projekts, Professorin Maria Ibáñez, sieht großes Potenzial für eine breite industrielle Anwendung. Ihr Team plant, die Technologie weiterzuentwickeln und für den Einsatz in kommerziellen Produkten zu optimieren. Laut Erstautor Shengduo Xu bietet die Methode eine revolutionäre Möglichkeit, thermoelektrische Geräte kostengünstig herzustellen, ohne Abstriche bei der Leistung zu machen.
Mit diesen Forschungsergebnissen hat das ISTA-Team nach eigener Ansicht einen wichtigen Meilenstein in der Weiterentwicklung nachhaltiger Thermoelektrik-Technologien erreicht. Die Kombination aus hoher Leistungsfähigkeit, niedrigen Produktionskosten und flexiblen Einsatzmöglichkeiten könnte die Art und Weise, wie Kühlsysteme und Energiegewinnung in der Zukunft funktionieren, grundlegend verändern.
