Nano-engineering thermo-elektrische systemen maken schaalbare koeling zonder compressor mogelijk

Onderzoekers van het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL, VS) en Samsung Electronics hebben nieuwe materialen ontwikkeld die de efficiëntie van thermo-elektrische koelapparatuur aanzienlijk verbeteren. ‘Ze verdubbelen bijna de prestaties van traditionele materialen bij kamertemperatuur, wat leidt tot veel betere koelsystemen en energiebesparende technologieën.’

Het gaat om een een nieuwe, eenvoudig te produceren solid-state thermo-elektrische koeltechnologie ontwikkeld met nano-engineered materialen. De technologie is volgens de onderzoekers twee keer zo efficiënt als apparaten die gemaakt zijn met commercieel verkrijgbare bulk thermo-elektrische materialen. “Nu de wereldwijde vraag naar energiezuinigere, betrouwbaardere en compactere koeloplossingen toeneemt, biedt deze ontwikkeling een schaalbaar alternatief voor traditionele compressorgebaseerde koeling.”

In een artikel gepubliceerd in Nature Communications toonde het team een ​​verbeterde efficiëntie en capaciteit van warmtepompen in koelsystemen aan, dankzij hoogwaardige nano-engineering thermo-elektrische materialen, uitgevonden bij APL, bekend als ‘controlled hierarchically engineered superlattice structures’ (gecontroleerde hiërarchisch ontworpen superroosterstructuren; Chess).

Koelt ook protheses

De Chess-technologie is het resultaat van 10 jaar APL-onderzoek naar geavanceerde nano-engineered thermo-elektrische materialen en de ontwikkeling van toepassingen. Oorspronkelijk ontwikkeld voor toepassingen in de nationale veiligheid, is het materiaal ook gebruikt voor niet-invasieve koeltherapieën voor protheses en won het in 2023 een R&D 100-prijs.

“Deze praktijkgerichte demonstratie van koeling met nieuwe thermo-elektrische materialen toont de mogelijkheden van nano-gemanipuleerde Chess-dunne films”, aldus hoofdonderzoeker Rama Venkatasubramanian. “Het markeert een belangrijke sprong voorwaarts in koeltechnologie en legt de basis voor de vertaling van ontwikkelingen in thermo-elektrische materialen naar praktische, grootschalige en energiezuinige koeltoepassingen.”

Solid-state koeling

Thermo-elektrische koeling koelt door elektronen te gebruiken om warmte door gespecialiseerde halfgeleidermaterialen te verplaatsen, waardoor bewegende onderdelen of schadelijke chemicaliën overbodig zijn. Deze koelkasten van de volgende generatie zijn daardoor stil, compact, betrouwbaar en duurzaam. Bulk thermo-elektrische materialen worden gebruikt in kleine apparaten zoals minikoelkasten, maar hun beperkte efficiëntie, lage warmtepompcapaciteit en incompatibiliteit met schaalbare halfgeleiderchipfabricage hebben in het verleden een breder gebruik in hoogwaardige systemen verhinderd.

In het onderzoek vergeleken onderzoekers koelmodules die traditionele bulk thermo-elektrische materialen gebruiken met die welke Chess dunne-film materialen gebruiken in gestandaardiseerde koeltests. Ze maten en vergeleken het elektrische vermogen dat nodig is om verschillende koelniveaus te bereiken in dezelfde commerciële koeltestsystemen. Het koelteam van Samsung Electronics, onder leiding van materiaalkundige Sungjin Jung, werkte samen met APL om de resultaten te valideren door middel van gedetailleerde thermische modellering, waarbij warmtebelastingen en thermische weerstandsparameters werden gekwantificeerd om een ​​nauwkeurige prestatie-evaluatie onder realistische omstandigheden te garanderen.

Resultaten

De resultaten waren opvallend: met Chess-materialen behaalde het team een ​​efficiëntieverbetering van bijna 100% ten opzichte van traditionele thermo-elektrische materialen bij kamertemperatuur (ongeveer 25 °C). Deze verbeteringen op materiaalniveau vertaalden ze vervolgens in een efficiëntieverbetering van bijna 75% op apparaatniveau in thermo-elektrische modules gebouwd met Chess-materialen en een efficiëntieverbetering van 70% in een volledig geïntegreerd koelsysteem. Beide vertegenwoordigen een aanzienlijke verbetering ten opzichte van state-of-the-art bulk thermo-elektrische apparaten. Deze tests werden uitgevoerd onder omstandigheden waarbij aanzienlijke hoeveelheden warmtepompen werden gebruikt om de praktische werking te simuleren.

Schaalbaar

Naast de verbeterde efficiëntie gebruikt de Chess-dunnefilmtechnologie opmerkelijk minder materiaal – slechts 0,003 kubieke centimeter, ongeveer de grootte van een zandkorrel, per koelunit. Deze materiaalbesparing betekent dat de thermo-elektrische materialen van APL massaal geproduceerd kunnen worden met behulp van halfgeleiderchipproductietools, wat de kostenefficiëntie verhoogt en brede marktacceptatie mogelijk maakt.

MOCVD

Bovendien zijn de Chess-materialen ontwikkeld met behulp van een beproefd proces dat veel wordt gebruikt voor de productie van hoogrenderende zonnecellen die satellieten en commerciële ledlampen van stroom voorzien. “We hebben metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) gebruikt om de Chess-materialen te produceren, een methode die bekend staat om zijn schaalbaarheid, kosteneffectiviteit en de mogelijkheid om grootschalige productie te ondersteunen”, aldus senior research engineer Jon Pierce. “MOCVD wordt al veelvuldig commercieel gebruikt, waardoor het ideaal is voor het opschalen van de productie van dunnefilm thermo-elektrische materialen van Chess.”