Elastokalorisches Kühlen basierend auf maßgeschneiderten Gummi-Dünnschichten

• Antragsteller: Professor Dr. Manfred Kohl; Professor Dr. Jürgen Rühe
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495040675

Dieses Projekt zielt auf die Erforschung und Entwicklung innovativer Kühlbauelemente, die den elastokalorischen Effekt in Dünnschichten aus natürlichem und synthetischem Gummi/gummiartigen Materialien nutzen. Die Nutzung von Naturgummi (NG) hat das Potenzial die Formgedächtnislegierungs-basierte Kühlung zu übertreffen, da NG eine einzigartige Kombination von großer latenter Wärme von 17 Jg-1, niedrigen mechanischen Spannungsniveaus, großen reversiblen Dehnungen von mehreren hundert Prozent und gute Skalierbarkeit bei Miniaturisierung zeigt. Darüber hinaus ist NG umweltfreundlich und kostengünstig. Zur Entwicklung gummiartiger Materialien zumelastokalorischen Kühlen werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt:(1) NG wird hergestellt und untersucht, um die Auswirkung molekularer Effekte auf den Umfang der dehnungsinduzierten Kristallisation zu verstehen. (2) Synthetischer Gummi wird mit unterschiedlichem Molekulargewicht und verschiedener chemischerZusammensetzung entwickelt, um die Effekte von Kristallisation, elastokalorischer Temperaturänderung, Hysterese und Ermüdungsbeständigkeit zu untersuchen (J. Rühe). Aufbauend auf Gummi-Dünnschichten werden Methoden und Werkzeuge entwickelt,um elastokalorische Kühlbauelemente mit optimierter Effizienz und Kühlleistung zu realisieren (M. Kohl). Um das Problem niedriger thermischer Leitfähigkeit zu überwinden, werden Strategien entwickelt, sowohl um Schichtdicken und laterale Geometrienabzustimmen, als auch um leitfähige Füllstoffe einzuführen und deren Anteil zu optimieren. Die Entwicklung von Temperaturprofilen auf der Bauelementeebene wird mittels Finite-Elemente-Simulationen und Thermografie untersucht, um die lastabhängige Kinetik der Wärme-/Kälteerzeugung und um Wärmeübergänge zu verstehen. DieTrennung von Wärme und Kälte wird bei alternierendem mechanischem Kontakt zwischen Gummischicht und Wärmequelle/senke untersucht. Dabei werden Form und Anpresskraft der Kontaktflächen angepasst und der Einfluss thermisch leitfähiger Schichten erprobt. Schließlich wird ein Demonstratorsystem aufgebaut und bezüglich Kühlleistung und Dauerbetrieb bewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen