Vorbild Mensch 06.02.2020, 14:03 Uhr

Elektronik kühlt sich bald durch „Schwitzen“

Chinesische und amerikanische Forscher haben unterschiedliche Wege gefunden, Geräte nach biologischem Vorbild vor Überhitzung zu schützen. Die einen befassen sich mit Smartphones, die anderen mit Robotern.

Roboter

Foto: panthermedia.net/iLexx

Zwei Forscherteams in China und den USA haben unabhängig voneinander Kühlsysteme für Elektronik entwickelt, die nach dem Vorbild des Menschen funktionieren. Die Geräte schwitzen, wenn ihnen zu warm wird. Die entstehende Verdunstungskälte sorgt für eine Temperatur, die der Elektronik genehm ist. Ruzhu Wang, Kältetechniker an der Shanghai Jiao Tong University in China, widmete sich mit seinem Team einer Technik zum selbstständigen Kühlen – etwa von Smartphones. Für Rob Shepherd, Professor für Raumfahrt und Mechanik an der Cornell University in Ithaca im US-Bundesstaat New York, ging es um künstliche Robotermuskeln, die nicht mehr funktionieren, wenn sie überlastet werden und sich überhitzen.

Künstliche Moleküle sammeln Wasser aus Wüstenluft

Wang setzte auf Metallorganische Gerüste (metal organic frameworks/MOFs), das sind künstliche Moleküle, die Metalle enthalten, die von organischen Komponenten zusammengehalten werden. MOFs sind meist hochporös und daher bestens geeignet, Wasserdampf zu speichern. „Früher haben Forscher versucht, mit MOFs Wasser aus Wüstenluft zu sammeln“, so Wang. Das gelang, war aber wegen der hohen Kosten des Materials nicht einmal annähernd wirtschaftlich, auch nicht in Extremsituationen. Der Preis spielt für die chinesischen Forscher um Wang nur eine untergeordnete Rolle, denn sie benötigen nur sehr wenig. Die kühlende Schicht eines Smartphones wiegt gerade mal 0,3 Gramm.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Safran Data Systems GmbH-Firmenlogo
Testingenieur / Certified Tester (m/w/d) Safran Data Systems GmbH
Bergisch Gladbach Zum Job 
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.-Firmenlogo
Sachgebietsleiter*in Technisches Gebäudemanagement - Betrieb, Wartung & Weiterentwicklung Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
München Zum Job 
SWM Services GmbH-Firmenlogo
Inbetriebsetzungsleiter*in für Verfahrenstechnik (m/w/d) SWM Services GmbH
München Zum Job 
Stadtwerke München GmbH-Firmenlogo
Commissioning Manager Control, Field and Automation Engineering (m/w/d) Stadtwerke München GmbH
München Zum Job 
Rhein-Sieg Netz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Netzbetrieb Rhein-Sieg Netz GmbH
Siegburg Zum Job 
Röhm GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Elektrotechnik / Automatisierungstechnik / EMSR Röhm GmbH
Wesseling Zum Job 
Herrenknecht AG-Firmenlogo
Technischer Redakteur (m/w/d) Herrenknecht AG
Schwanau Zum Job 
Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieurin /Bauingenieur (m/w/d) Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes
Brunsbüttel Zum Job 
Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieurinnen / Bauingenieure (m/w/d) Fachrichtung konstruktiver Ingenieurbau Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes
Brunsbüttel, Rendsburg Zum Job 
BMI Deutschland GmbH-Firmenlogo
Sicherheitsfachkraft / Fachkraft für Arbeitssicherheit (m/w/d) BMI Deutschland GmbH
Dülmen Zum Job 
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO-Firmenlogo
Wissenschaftliche*r Referent*in der Institutsleiterin Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO
Stuttgart Zum Job 
Fachhochschule Dortmund-Firmenlogo
Vertretungsprofessur "Produktions- und Qualitätsmanagement"; Fachbereich Maschinenbau Fachhochschule Dortmund
Dortmund Zum Job 
BMI Deutschland GmbH-Firmenlogo
Sicherheitsfachkraft / Fachkraft für Arbeitssicherheit (m/w/d) BMI Deutschland GmbH
Dülmen, Heyrothsberge Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Techniker als Fachexperte für Vertragsmanagement, Ausschreibung, Vergabe & Abrechnung (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Krailling bei München Zum Job 
FUNKE Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH-Firmenlogo
Verfahrensingenieur (m/w/d) im technischen Vertrieb Rohrbündelwärmeaustauscher FUNKE Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH
Gronau (Leine) Zum Job 
KTR Systems GmbH-Firmenlogo
Berechnungsingenieur (m/w/d) KTR Systems GmbH
ONTRAS-Firmenlogo
Spezialist Strategische Technologie (m/w/d) ONTRAS
Leipzig Zum Job 
Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA)-Firmenlogo
Geschäftsführer (m/w/d) VDA QMC in China Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA)
Peking, Shanghai (China) Zum Job 
FH Münster-Firmenlogo
Professur für "Strömungstechnik" im Fachbereich Maschinenbau FH Münster
Münster Zum Job 
Technische Hochschule Rosenheim-Firmenlogo
Professorin / Professor (m/w/d) für Applied Embedded Computing Technische Hochschule Rosenheim
Rosenheim Zum Job 

Beschichte Probe hielt fast viermal so lange durch

Als bestens geeignet erwies sich ein MOF mit der wissenschaftlichen Bezeichnung MIL-101(Cr). Es handelt sich um ein grünliches Pulver. Damit beschichteten sie 3 Aluminiumplättchen in Dicken zwischen 198 und 516 Mikrometern. Dann gaben sie dem Material Gelegenheit, Wasserdampf zu speichern. Derart vorbereitet legten sie die Plättchen sowie ein Unbeschichtetes auf eine warme Unterlage. Als die Wärme die MOF-Schicht erreichte begann das darin gespeicherte Wasser zu verdunsten.

Es zeigte sich, dass das unbeschichtete Plättchen bereits nach 5,2 Minuten die für Elektronik kritische Temperatur von 60 Grad erreichte. Die Probe mit der dicksten Beschichtung ließ sich damit 19,35 Minuten Zeit. Wenn das Wasser verbraucht  ist, hört die Kühlwirkung natürlich auf. Deshalb ist das Verfahren für Geräte im Dauerbetrieb nicht geeignet.

Kunststoff ist ein schlechter Wärmeleiter

Anders die US-Entwicklung, die speziell für Kunststoffgebilde gedacht ist. Da dieses Material – anders als Metall – Wärme schlecht leitet ist die Gefahr einer Überhitzung groß, die sich auf die umliegende Elektronik negativ auswirken kann. Zunächst befasste sich Shepherds Team mit den Robotergreifern aus Kunststoff. Sie bestehen aus zwei Hydrogelen, das sind wasserunlösliche Kunststoffe, die von Wasser umgeben sind. Die untere Schicht besteht aus Poly-N-Isopropylacrylamid, das sich bei Erwärmung verformt. Darüber befindet sich eine Polyacrylamid-Haut, die zahlreiche Poren besitzt. Diese sind mit einem kleinen Wasserreservoir verbunden.

Bei Verformung entweicht Wasser aus der „Haut“

Bei der Verformung der unteren Schicht durch Erwärmung wird die Kunststoffhaut gestresst, sodass feine Wassertröpfchen herausgepresst werden. Diese verdampfen und kühlen. Innerhalb von 30 Sekunden sinkt die Temperatur auf diese Weise um stolze 21 Grad Celsius. Mit Hilfe eines Ventilators, der die Verdunstung beschleunigt, geht es noch schneller. Sinkt die Temperatur nimmt der Druck auf die Poren ab, sodass kein Wasser mehr austritt.

Wenn der Wassertank leer ist, ist das Kühlsystem am Ende, es sei denn, der Tank wird von Hand neu befüllt. Dass soll nicht immer so bleiben. „Genauso wie Menschen, denen Wasser fehlt, trinken, sollen Roboter der Zukunft das auch tun“, sagt Shepherd.

Lesen Sie auch:

Helfer im Alltag: Smartglasses

Dünnfilm-Batterie lässt sich verdrehen

Leistungsfähigere Batterien durch Ionen

Ein Beitrag von:

  • Wolfgang Kempkens

    Wolfgang Kempkens studierte an der RWTH Aachen Elektrotechnik und schloss mit dem Diplom ab. Er arbeitete bei einer Tageszeitung und einem Magazin, ehe er sich als freier Journalist etablierte. Er beschäftigt sich vor allem mit Umwelt-, Energie- und Technikthemen.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.