Kühlende thermoelektrische Materialien aus dem 3D-Drucker

Thermoelektrische Wandler kühlen gezielt bestimmte Bereiche, indem sie elektrischen Strom nutzen, um Wärme von einer Seite zur anderen zu transportieren. Sie sind langlebig, unempfindlich gegenüber Lecks und kommen ohne bewegliche Teile wie zirkulierende Flüssigkeiten aus. Dank ihrer flexiblen Größe und Form eignen sie sich besonders gut für Kühlanwendungen in der Elektronik. Allerdings verursacht ihre Herstellung aus massiven Materialblöcken hohe Kosten und eine beträchtliche Menge an Abfall. Zudem bleibt ihre Leistungsfähigkeit begrenzt.

Thermolektrik auf das nächste Level bringen

Wie der Informationsdienst Wissenschaft berichtet, haben die Professorin Maria Ibáñez und ihr Team am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) gemeinsam mit dem Wissenschaftler Shengduo Xu leistungsstarke thermoelektrische Materialien über 3D-Druck entwickelt und daraus effiziente Kühler gebaut. „Unsere innovative Integration des 3D-Drucks in die Herstellung thermoelektrischer Kühler verbessert die Fertigungseffizienz erheblich und senkt die Kosten“, betont Xu.

Während frühere Versuche mit 3D-gedruckten thermoelektrischen Materialien oft an geringer Leistung scheiterten, erreicht diese neue Methode deutlich bessere Werte. „Unsere Arbeit liefert Materialien mit kommerziell konkurrenzfähiger Leistung“, erklärt Ibáñez. Damit gehen wir über die akademische Forschung hinaus und machen thermoelektrische Kühler für industrielle Anwendungen interessant.

Druckmaterialien mit verbesserter Partikelhaftung

Das Team hat nicht nur 3D-Drucktechniken für die Herstellung thermoelektrischer Materialien genutzt, sondern auch die Drucktinten gezielt entwickelt. Während das Trägerlösungsmittel verdampft, entstehen starke atomare Bindungen zwischen den Körnern, die ein durchgehendes Materialnetzwerk formen. Diese stabilen chemischen Grenzflächenbindungen verbessern die Ladungsübertragung und steigern so die thermoelektrische Leistung der gedruckten Materialien.

Gleichzeitig liefern die Versuche neue Erkenntnisse über die Transporteigenschaften poröser Materialien. „Wir haben eine extrusions-basierte 3D-Drucktechnik eingesetzt und die Tintenformulierung so konzipiert, dass die Integrität der gedruckten Struktur gewährleistet ist und die Partikelbindung erhöht wird.“, erklärt Ibáñez. „So konnten wir die ersten thermoelektrischen Kühler aus gedruckten Materialien herstellen, die eine vergleichbare Leistung wie Geräte auf Barrenbasis aufweisen und gleichzeitig Material und Energie sparen.“

Neben der schnellen Wärmeableitung in Elektronik und tragbaren Geräten könnten thermoelektrische Kühler auch in der Medizin eingesetzt werden, beispielsweise bei der Behandlung von Verbrennungen und zur Linderung von Muskelverspannungen. Darüber hinaus lässt sich die vom ISTA-Forschungsteam entwickelte Methode zur Tintenanpassung auch auf andere Materialien anwenden, wie das Paper zur Forschungsarbeit zeigt. Die Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.

(usz)