Schaltbarer Tarnmantel für Wärme

Mit streng symmetrisch aufgebauten Strukturen, sogenannten Metamaterialien, lassen sich Tarnkappen für sichtbares Licht und auch Schallwellen konstruieren. Von diesen Entwicklungen haben sich nun Wissenschaftler aus Singapur inspirieren lassen und fertigten einen schaltbaren Tarnmantel für Wärme. Wie sie in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ berichten, könnten mit ihrem Ansatz schnell getaktete Prozessoren oder andere elektronische Systeme in Zukunft effizienter gekühlt werden.

Illustration von einer zweidimensionalen Fläche mit einem Loch in der Mitte, über das ein Pfeil quasi hinüberhüpft.
Aktive thermische Tarnkappe

„Wir können den Wärmefluss elektrisch kontrollieren, indem wir Wärme um ein Objekt quasi herum pumpen“, sagt Baile Zhang von der Nanyang Technological University in Singapur. Mit seinen Kollegen ordnete er dazu 24 thermoelektrische Module auf einer Stahlplatte an. Diese nur etwa sechs Millimeter kleinen Module umreihten eine Lochbohrung von gut sechs Zentimeter Durchmesser. Elektrisch durch kleine Spannungspulse aktiviert beeinflussten diese Module den Wärmefluss durch die Stahlplatte von einem 60 Grad heißen Ende bis zum gegenüberliegenden, das auf null Grad gekühlt war.

Mit einer Wärmekamera analysierten die Wissenschaftler die Auswirkung der thermoelektrischen Module. Elektrisch aktiviert breitete sich die Wärme exakt so durch die Stahlplatte aus, als ob es die Lochbohrung überhaupt nicht gäbe. Dieser Bereich wurde also vor der Wärme thermisch getarnt. Dazu nahmen die Module auf der aufgeheizten Seite Wärme auf und gaben sie an einen Kupferblock ab. Die Module auf der kalten Seite konnten hingegen diese Wärme wieder aufnehmen und an die Stahlplatte zurückgeben. Wurden umgekehrt die thermoelektrischen Module nicht aktiviert, dominierte der Einfluss der Lochbohrung den Wärmefluss.

Dieser aktiv kontrollierbare Tarnmechanismus basiert auf dem sogenannten Peltier-Effekt. Dank diesem können thermoelektrische Module Wärme aufnehmen und in Strom umwandeln oder umgekehrt. Peltier-Elemente sind daher sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen geeignet. Das nun durchgeführte Experiment belegt, dass über unterschiedliche Stromflüsse kontrollierte, thermoelektrische Peltier-Elemente den Wärmefluss durch ein Material effizient steuern können. Hitzeempfindliche Objekte wie etwa elektronische Bauteile könnten mit dieser aktiven, thermischen Tarnkappe von einem unerwünschten Wärmefluss abgeschirmt werden.