Revolutionäres thermoelektrisches Kühlsystem steigert Leistung von Computern & Batterien

Forscher demonstrieren neues Kühlsystem mit 2 verschiedenen thermoelektrischen Materialien. Es beschleunigt Wärme effizienter in ihrer natürlichen Richtung – von heißem Objekt zu kühlerer Umgebung.

Hintergrund: Thermoelektrische Kühlung

Da Computerchips, Laser, Batterien, Hochleistungs-Elektronik zu kompakterem Design mit höheren Leistungsdichten evolvieren, benötigen sie raffinierteres Thermomanagement. Diese Geräte nutzen thermoelektrische Kühlung, um Wärme von heißen Objekten zu entfernen.

Anders als Thermodynamik-Probleme: Peltier-Kühler optimiert, um kaltes Objekt kalt zu halten. Die meisten kommerziellen Peltier-Kühler sind portable Kühlungselemente wie Camping-Kühlschränke oder Getränkekühler. Sie funktionieren, indem sie Wärme von kaltem zu heißem Bereich ziehen (natürlich fließt Wärme von heiß nach kalt).

Bei «aktiver Kühlung» wird natürlicher Wärmefluss von heißem Objekt zu kühlerer Region beschleunigt. Ziel: Wärmeabfuhr aus heißem Reservoir maximieren, Temperatursenkung minimieren.

Physiker der Ohio State University und University of Virginia entwickelten neues Designprinzip für thermoelektrische Instrumente, abgestimmt auf Batterie- und Computeranwendungen. Sie demonstrierten Kühlsystem mit 2 verschiedenen thermoelektrischen Materialien.

Vorgehensweise

Für effektive thermoelektrische Kühlgeräte wählte Team Material basierend auf Figure-of-Merit zT, das Leistung thermoelektrischer Module bestimmt, inkl. Kühlmodule.

Referenz: APS Physics | DOI:10.1103/PhysRevApplied.11.054008

Material mit viel Wärme (durch elektrischen Strom) hat hohes zT. Solche Materialien haben typischerweise niedrige thermische Leitfähigkeit – lassen Wärme nicht zurück durch Gerät in kaltes Objekt fließen. Doch Wärme dissipiert natürlich, wenn Objekt heiß ist.

Betrachtet man normale Kühlbedingung: heißes Objekt an thermoelektrischem Gerät, umschlossen von kälterem Reservoir. Bei Spannungsanlegung fließen Elektronen und Löcher (Ladungsträger, die Wärme tragen) von heißer zu kalter Region.

Unterschied aktiver Kühlung vs. Kälteerzeugung | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Für effizientere Kühlung entwickelte Team neue Figure-of-Merit: effektive thermische Leitfähigkeit. Sie repräsentiert Summe aus aktiver thermischer Leitfähigkeit (einschaltet bei Spannungsanlegung) und passiver (normaler) thermischer Leitfähigkeit.

Sie nutzten zwei Materialien mit großer effektiver thermischer Leitfähigkeit:

1. Magnon-Drag-Metalle (Kobalt): Elektronen interagieren mit Magnonen, tragen zusätzliche Wärme.
2. Kondo-Effekt-Metalle (Cer-Palladium): Elektronen interagieren stark miteinander, erhöhen Wärme pro leitendem Elektron (Loch).

Forscher bauten Peltier-Kühler aus diesen Materialien, platzierten ihn zwischen kaltem und heißem Reservoir. Testeten Gerät in passivem und aktivem Modus.

Bei 5 Ampere Strom leitete Gerät fast 0,1 Watt mehr Wärme aus heißem Reservoir ab als bei 0 Strom. Basierend auf Temperaturdifferenz: Aktiver Modus 1000 W/m·K, passiver Modus 40 W/m·K.

Solche Dual-Mode-Kühler könnten Prozessoren nützen: Passivmodus bei geringer Rechenlast, Aktivmodus bei hoher CPU-Auslastung.