Dünnschichten zur effizienteren Wärmeübertragung in elektrokalorischen Wärmepumpen

Mit dem Ausstieg aus fossilen Energien und zur Erreichung der Klimaziele werden alternative Technologien zum Heizen und Kühlen gebraucht. Gängige Wärmepumpen und Klimaanlagen sind jedoch laut, verbrauchen viel Strom und nutzen klimaschädliche Kühlmittel. Deshalb arbeiten Wissenschaftler weltweit an elektrokalorischen Wärmepumpen – sie nutzen Materialien, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Temperatur verändern können und dadurch Wärme oder Kälte erzeugen.

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojektes ElKaWe hat das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen erzielt, die als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Wärmepumpen und Klimaanlagen gelten. Diese neuen Wärmepumpen nutzen Materialien, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Temperatur ändern, und kommen ohne klimaschädliche Kühlmittel aus. Die Technologie zeichnet sich durch eine höhere Energieeffizienz und geringere Geräuschentwicklung aus, was sie besonders für den Einsatz in urbanen und sensiblen Umgebungen geeignet macht.

Verbesserte Wärmeübertragung durch superhydrophile Dünnschichten

Ein zentrales Element für die Effizienz dieser Wärmepumpen ist die optimale Wärmeübertragung, die durch eine vollständige Benetzung der Oberflächen der elektrokalorischen Komponenten gewährleistet wird. Um dieses Ziel zu erreichen, hat das Fraunhofer FEP superhydrophile Metalloxid-Dünnschichten entwickelt, die mittels Magnetron-Sputtern auf die elektrokalorischen Materialien aufgebracht werden. Diese Schichten bestehen aus einer mesoporösen Mikrostruktur mit Porendurchmessern zwischen 2 und 50 Nanometern. Diese Struktur fördert Kapillareffekte, die eine schnelle Ausbreitung von Flüssigkeiten auf der Oberfläche ermöglichen und dadurch die Kondensation und Verdampfung beschleunigen.

Durch diese Beschichtungen konnten die Forscher die Wärmeübertragungsrate deutlich steigern. Insbesondere zeigte sich eine verbesserte Tröpfchendynamik: Die beschichteten Komponenten weisen eine höhere Nukleations- und Wachstumsrate der Tröpfchen auf, wodurch die Kondensations- und Verdampfungsprozesse schneller ablaufen. Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung und macht die Technologie besonders effizient.

Skalierung und Zukunftsperspektiven

Die erreichte dauerhafte Superhydrophilie der Dünnschichten macht diese Technologie besonders geeignet für den Einsatz in Festkörperkühlgeräten wie elektrokalorischen Wärmepumpen. Die Wissenschaftler des Fraunhofer FEP arbeiten derzeit an der Skalierung dieser Technologie vom Labormaßstab zur industriellen Produktion, um eine Marktreife in den nächsten 5-7 Jahren zu erreichen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Weiterentwicklung hin zu polymer-basierten elektrokalorischen Wärmepumpen, die weitere Vorteile in puncto Flexibilität und Kostenreduktion bieten könnten.

Die vielversprechenden Forschungsergebnisse werden auf der PSE 2024 in Erfurt vorgestellt. Die Wissenschaftler sind für Folgeprojekte offen, um die Entwicklung dieser zukunftsträchtigen Technologie weiter voranzutreiben und einen entscheidenden Beitrag zu nachhaltigen Heiz- und Kühltechnologien zu leisten.