Wissenschaftler des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben eine neue 3D-Drucktechnologie entwickelt, um hocheffiziente thermoelektrische Materialien herzustellen. Diese Materialien ermöglichen eine kostengünstigere und nachhaltigere Produktion von Thermoelektrik-Kühlern, die beispielsweise in der Elektronikkühlung und Medizintechnik Anwendung finden könnten, wie das ISTA berichtet.
Die vollständige Studie wurde in der Fachzeitschrift Science unter dem Title „Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials“ veröffentlicht.
Thermoelektrische Kühlung per 3D-Druck
Thermoelektrische Materialien können Temperaturdifferenzen in elektrische Spannung umwandeln und umgekehrt. Damit lassen sich kompakte, langlebige und bewegungsfreie Kühlsysteme bauen, die besonders für die Kühlung von Elektronik geeignet sind. Allerdings ist ihre Produktion bisher teuer und mit hohem Materialverlust verbunden.
Das Team um Maria Ibáñez, Leiterin des Werner Siemens Thermoelectric Laboratory am ISTA, hat eine innovative 3D-Druckmethode entwickelt, die diese Materialien kostengünstiger und nachhaltiger herstellt.
Shengduo Xu, Erstautor der Studie und Postdoktorand am ISTA, erklärt:
„Unsere Integration des 3D-Drucks in die Fertigung thermoelektrischer Kühler steigert die Effizienz der Produktion erheblich und reduziert die Kosten.“
Optimierung durch maßgeschneiderten Materialdruck
Statt große Materialblöcke (Ingots) herzustellen und sie anschließend zu bearbeiten, erlaubt der 3D-Druck eine präzisere und materialsparendere Fertigung. Dadurch entsteht weniger Abfall, während die Leistungsfähigkeit der Kühlgeräte erhalten bleibt. Die Forscher konnten mit der neuen Methode einen Netto-Kühleffekt von 50 Grad Celsius in der Luft erzielen, was mit herkömmlichen Methoden vergleichbar ist.
Ein Schlüssel zur hohen Effizienz liegt in der speziell entwickelten Tinte: Beim Verdampfen des Lösungsmittels bilden sich starke atomare Bindungen zwischen den Partikeln, wodurch eine optimierte Materialstruktur entsteht. „Durch diese gezielte Kontrolle der Bindung zwischen den Partikeln konnten wir die thermoelektrische Leistung unserer gedruckten Materialien verbessern“, so Ibáñez.
Anwendungen in Medizin und Energiegewinnung
Neben der Kühlung von Elektronik könnten die neuen thermoelektrischen Materialien auch in der Medizin Anwendung finden, beispielsweise zur Behandlung von Verbrennungen oder zur Linderung von Muskelverletzungen. Darüber hinaus lassen sich ähnliche Druckverfahren für die Herstellung von Hochtemperatur-Generatoren nutzen, die aus Temperaturdifferenzen elektrische Energie gewinnen.
Ibáñez und Shengduo Xu erklären:
„Wir haben den gesamten Prozess optimiert – von der Materialentwicklung bis zum stabilen Endprodukt. Unsere Forschung bietet eine nachhaltige und effiziente Lösung für die Produktion thermoelektrischer Geräte und eröffnet neue Möglichkeiten für Industrie und Wissenschaft.“
