Elektrisches Feld-Trick lässt Wärmefluss um fast 300 % besser werden – warum auch nicht

Forscher am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums haben sich mit der Ohio State University und der Amphenol Corporation zusammengetan und herausgefunden, dass das Anlegen eines elektrischen Feldes an ein keramisches Material den Wärmefluss in eine Richtung fast dreimal effizienter machen kann. Die im Fachblatt PRX Energy veröffentlichten Ergebnisse stellen alles in Frage, was wir über Wärmetransport zu wissen glaubten – oder zumindest stellen sie einige lang gehegte Annahmen in Frage.

Das Geheimnis liegt in den Phononen, diesen winzigen atomaren Schwingungen, die Wärme transportieren wie eine sehr kleine, sehr überfüllte U-Bahn. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, leben die Phononen, die in die gleiche Richtung wie das Feld schwingen, länger und legen weitere Strecken zurück, während diejenigen, die seitwärts schwingen, einfach aufgeben. Das Ergebnis? Die Wärme saust fast dreimal schneller in Feldrichtung als anderswo.

„In der Lage zu sein, sowohl zu kontrollieren, wie schnell als auch auf welche Weise Wärme fließt, könnte zu Geräten führen, die thermische Energie weitaus effizienter verwalten“, sagte Puspa Upreti, Postdoktorandin am ORNL, in einem Ton, der darauf hindeutet, dass sie bereits von besseren Kühlsystemen träumt.

Das Team verwendete eine Klasse von Keramiken, sogenannte Relaxor-Ferroelektrika, die im Grunde die coolen Kids der Materialwelt sind – wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, richten sich ihre winzigen elektrischen Ladungen aus und hören auf, die Phononen zu streuen. Um zu sehen, was tatsächlich passierte, setzten sie fortschrittliche inelastische Neutronenstreuung an der Spallations-Neutronenquelle ein, denn wenn man Atome beim Schwingen beobachten will, holt man die großen Neutronenkanonen raus.

„Frühere Arbeiten an massiven ferroelektrischen Materialien erzielten bescheidene Verbesserungen der Wärmeleitfähigkeit von 5 bis 10 Prozent, während die neuen Messungen eine Verbesserung von fast 300 Prozent zeigen“, sagte Michael Manley, leitender Forscher am ORNL, der die Experimente leitete. Das ist eine Verdreifachung, die sogar die Forscher überraschte, die offenbar eher einen höflichen Schubs erwartet hatten.

Der verstorbene Professor Joseph Heremans von der Ohio State University, der die Experimente zur Wärmeleitfähigkeit entworfen hatte, wäre stolz gewesen. Seine Doktorandin Delaram Rashadfar bemerkte: „Professor Heremans betonte immer, wie wichtig es sei, zuerst den Daten zu vertrauen und die Theorie folgen zu lassen.“ Ein weiser Rat, besonders wenn die Daten sagen: „Hey, wir haben gerade den Wärmefluss verdreifacht.“

Dieser Durchbruch könnte zu Festkörperkühlsystemen, Wärme-zu-Strom-Wandlern und besseren chipbasierten Elektronikgeräten führen – im Grunde alles, was zu heiß wird und sich beruhigen muss. Die Forschung wurde vom DOE Basic Energy Sciences-Programm unterstützt, denn offenbar will sogar die Regierung, dass ihre Elektronik nicht mehr überhitzt.