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Elektrokalorischer Effekt Der elektrokalorische Effekt beschreibt die Eigenschaft bestimmter elektrokalorischer Material

Elektrokalorischer Effekt

Der elektrokalorische Effekt beschreibt die Eigenschaft bestimmter elektrokalorischer Materialien, auf Änderung der elektrischen Feldstärke im Material durch Abkühlung oder Erwärmung zu reagieren. Die Ursache ist auf Strukturebene nicht im Detail bekannt. Vermutlich ändert sich die Kristallstruktur: indem polare Moleküle sich in Feldrichtung ordnen (Entropie-Abnahme) und das Material erwärmen bzw. beim Abschalten des Feldes in den ungeordneten Zustand zurückfallen (Entropie-Zunahme) und das Material abkühlen. Der Effekt lässt sich erklären, wenn man annimmt, dass sich die Entropie der durch das E.-Feld ausgerichteten oder verlagerten Ladungen verringert und wegen der bei adiabatischem Wechsel konstanten Gesamt-Entropie durch verstärkte Gitterschwingungen kompensiert werden muss. Daraus folgt eine höhere Temperatur. Nach der Entladung ist hingegen eine Abkühlung zu verzeichnen.

Die Umkehrung des Effekts, d. h. die Erzeugung einer Spannungsänderung durch Änderung der Temperatur, ist der in der Sensorik wichtige pyroelektrische Effekt.

Die Besonderheit beim elektrokalorischen Effekt ist, dass – im Gegensatz zum Peltier-Effekt – eine Kühlung unabhängig von der Höhe des Stromes möglich ist. Die Ladung und Entladung der Dielektrika erfordert zwar einen Strom. Dieser hat jedoch den Charakter eines Wechselstromes mit hohem Blindstrom-Anteil und kann daher weitgehend zurückgewonnen werden, soweit er nicht nach dem Laden als Wärmeenergie zur Verfügung steht. Die Temperaturdifferenz muss nicht entgegen einer in einem Werkstoff stattfindenden Wärmeleitung aufgebracht werden.

Ein Wärmetransport ist mit diesem Effekt nur dadurch möglich, dass die Ableitung bzw. Zuführung von Wärmeenergie mit dem Lade-/Entladezyklus synchron verläuft. Das kann zum Beispiel durch Flüssigkeiten geschehen, die jeweils immer dann herangeführt werden, wenn die Wärmeenergie abgegeben beziehungsweise aufgenommen werden kann.

Der Effekt ist seit den 1950er-Jahren bekannt und konnte seitdem in der Forschung erheblich verbessert werden. Eine technische Umsetzung scheiterte lange Zeit an der geringen praktisch erreichten Effizienz. Ähnlich dem Peltier-Effekt könnte eine technologische Anwendung im Kühlen elektronischer Bauteile oder in portablen Kleinanwendungen liegen. Insbesondere werden auch Chancen diskutiert, damit ohne Kältemittel effektiv zu kühlen.

Elektrokalorische Materialien sind z. B. ferroelektrische Metalloxidverbindungen wie Blei-Zirkonat-Titanat (PbZr0.95Ti0.05O3, kurz: „PZT“). Im Temperaturoptimum bei 220 °C (in der Nähe der Curietemperatur) konnte damit 2006 eine Temperaturdifferenz von 12 K erzielt werden – diese sank jedoch bei 100 °C auf nur noch 2 K.

2017 wurde an der University of California eine Konstruktion vorgestellt, bei der eine alternierend mit einem elektrischen Feld beaufschlagte elektrokalorische Polymerfolie synchron dazu mittels elektrostatischer Kräfte zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke bewegt wird.

Ein 2019 gestartetes Projekt möchte binnen vier Jahren Forschung und Entwicklung eine Wärmeleistung von 100 Watt bei einer Temperaturdifferenz von 30 K erreichen. Daran ist erkennbar, dass der Effekt hinsichtlich praktischer Anwendung noch weit hinter etablierten Verfahren (Kältemaschine, Peltierkühler) zurückliegt.

Siehe auch Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ Peter Fairley: A Solid-State Fridge in Your Pocket. In: IEEE Spectrum. 14. September 2017, abgerufen am 21. September 2017 (englisch).
  2. Zdravko Kutnjak, Brigita Rožič, Raša Pirc: Electrocaloric Effect: Theory, Measurements, and Applications. In: John G. Webster (Hrsg.): Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. John Wiley & Sons, Ltd, 2015, ISBN 978-0-471-34608-1, S. 1–19, doi:10.1002/047134608X.W8244.
  3. E. Defay, R. Faye, G. Despesse, H. Strozyk, D. Sette, S. Crossley, X. Moya, N. D. Mathur: Enhanced electrocaloric efficiency via energy recovery. In: Nature Communications. Band 9, Nr. 1, 8. Mai 2018, S. 1827, doi:10.1038/s41467-018-04027-9.
  4. Shigeki Hirasawa, Tsuyoshi Kawanami, Katsuaki Shirai: Efficient Cooling System Using Electrocaloric Effect. In: Journal of Electronics Cooling and Thermal Control. Band 6, Nr. 2, 2. Juni 2016, S. 78–87, doi:10.4236/jectc.2016.62007.
  5. Andreas Stiller: Mögliche neue Kühltechnik für Chips. In: heise.de. 3. März 2006, abgerufen am 21. September 2017.
  6. Holger Kock: Fraunhofer startet Entwicklung kältemittelfreier, energieeffizienter elektrokalorischer Wärmepumpen, Pressemitteilung des Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik, abgerufen am 8. Dez. 2019
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Der elektrokalorische Effekt beschreibt die Eigenschaft bestimmter elektrokalorischer Materialien auf Anderung der elektrischen Feldstarke im Material durch Abkuhlung oder Erwarmung zu reagieren Die Ursache ist auf Strukturebene nicht im Detail bekannt Vermutlich andert sich die Kristallstruktur indem polare Molekule sich in Feldrichtung ordnen Entropie Abnahme und das Material erwarmen bzw beim Abschalten des Feldes in den ungeordneten Zustand zuruckfallen Entropie Zunahme und das Material abkuhlen 1 Der Effekt lasst sich erklaren wenn man annimmt dass sich die Entropie der durch das E Feld ausgerichteten oder verlagerten Ladungen verringert und wegen der bei adiabatischem Wechsel konstanten Gesamt Entropie durch verstarkte Gitterschwingungen kompensiert werden muss 2 Daraus folgt eine hohere Temperatur Nach der Entladung ist hingegen eine Abkuhlung zu verzeichnen Die Umkehrung des Effekts d h die Erzeugung einer Spannungsanderung durch Anderung der Temperatur ist der in der Sensorik wichtige pyroelektrische Effekt Die Besonderheit beim elektrokalorischen Effekt ist dass im Gegensatz zum Peltier Effekt eine Kuhlung unabhangig von der Hohe des Stromes moglich ist Die Ladung und Entladung der Dielektrika erfordert zwar einen Strom Dieser hat jedoch den Charakter eines Wechselstromes mit hohem Blindstrom Anteil und kann daher weitgehend zuruckgewonnen werden 3 soweit er nicht nach dem Laden als Warmeenergie zur Verfugung steht Die Temperaturdifferenz muss nicht entgegen einer in einem Werkstoff stattfindenden Warmeleitung aufgebracht werden Ein Warmetransport ist mit diesem Effekt nur dadurch moglich dass die Ableitung bzw Zufuhrung von Warmeenergie mit dem Lade Entladezyklus synchron verlauft Das kann zum Beispiel durch Flussigkeiten geschehen die jeweils immer dann herangefuhrt werden wenn die Warmeenergie abgegeben beziehungsweise aufgenommen werden kann 4 Der Effekt ist seit den 1950er Jahren bekannt und konnte seitdem in der Forschung erheblich verbessert werden Eine technische Umsetzung scheiterte lange Zeit an der geringen praktisch erreichten Effizienz Ahnlich dem Peltier Effekt konnte eine technologische Anwendung im Kuhlen elektronischer Bauteile oder in portablen Kleinanwendungen liegen Insbesondere werden auch Chancen diskutiert damit ohne Kaltemittel effektiv zu kuhlen Elektrokalorische Materialien sind z B ferroelektrische Metalloxidverbindungen wie Blei Zirkonat Titanat PbZr0 95Ti0 05O3 kurz PZT Im Temperaturoptimum bei 220 C in der Nahe der Curietemperatur konnte damit 2006 eine Temperaturdifferenz von 12 K erzielt werden diese sank jedoch bei 100 C auf nur noch 2 K 5 2017 wurde an der University of California eine Konstruktion vorgestellt bei der eine alternierend mit einem elektrischen Feld beaufschlagte elektrokalorische Polymerfolie synchron dazu mittels elektrostatischer Krafte zwischen der Warmequelle und der Warmesenke bewegt wird 1 Ein 2019 gestartetes Projekt mochte binnen vier Jahren Forschung und Entwicklung eine Warmeleistung von 100 Watt bei einer Temperaturdifferenz von 30 K erreichen 6 Daran ist erkennbar dass der Effekt hinsichtlich praktischer Anwendung noch weit hinter etablierten Verfahren Kaltemaschine Peltierkuhler zuruckliegt Siehe auch BearbeitenMagnetokalorischer EffektEinzelnachweise Bearbeiten a b Peter Fairley A Solid State Fridge in Your Pocket In IEEE Spectrum 14 September 2017 abgerufen am 21 September 2017 englisch Zdravko Kutnjak Brigita Rozic Rasa Pirc Electrocaloric Effect Theory Measurements and Applications In John G Webster Hrsg Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering John Wiley amp Sons Ltd 2015 ISBN 978 0 471 34608 1 S 1 19 doi 10 1002 047134608X W8244 E Defay R Faye G Despesse H Strozyk D Sette S Crossley X Moya N D Mathur Enhanced electrocaloric efficiency via energy recovery In Nature Communications Band 9 Nr 1 8 Mai 2018 S 1827 doi 10 1038 s41467 018 04027 9 Shigeki Hirasawa Tsuyoshi Kawanami Katsuaki Shirai Efficient Cooling System Using Electrocaloric Effect In Journal of Electronics Cooling and Thermal Control Band 6 Nr 2 2 Juni 2016 S 78 87 doi 10 4236 jectc 2016 62007 Andreas Stiller Mogliche neue Kuhltechnik fur Chips In heise de 3 Marz 2006 abgerufen am 21 September 2017 Holger Kock Fraunhofer startet Entwicklung kaltemittelfreier energieeffizienter elektrokalorischer Warmepumpen Pressemitteilung des Fraunhofer Institut fur Physikalische Messtechnik abgerufen am 8 Dez 2019 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Elektrokalorischer Effekt amp oldid 239363138