Eine Einbahnstraße für Wärme

Eine elegante Einbahnstraße für Wärme haben amerikanische Physiker ersonnen. In dem Gerät verdunstet Wasser von einer warmen Oberfläche und schlägt sich auf einer kalten Oberfläche nieder. Wenn dort kleinere Tröpfchen zu größeren zusammenfließen, werden sie von ihrer eigenen Oberflächenspannung wieder zu der warmen Oberfläche katapultiert und der Kreislauf beginnt von vorn.

Bilder: Duke University Pratt School of Engineering

Dieser Wärmetransport kann nur in eine Richtung erfolgen, da die eine Oberfläche stark wasserabweisend ist, während die andere sehr gut von Wasser benetzt wird, erläutert Chuan-Hua Chen von der Duke University im US-Bundesstaat North Carolina. „Wenn die wasserabweisende Oberfläche die wärmere ist, wird der Wärmefluss blockiert.“ Mögliche Anwendungen für die Methode lägen in Gebäuden, die ihre Innentemperatur selbsttätig regulierten, und in besonders effizienten elektronischen Bauteilen.

Die von Chen und zwei Studenten entwickelte Thermodiode nutzt einen einfachen Effekt: Vereinen sich kleinere Flüssigkeitströpfchen zu einem größeren, so nimmt die Gesamtoberfläche ab. Bereits vor einigen Jahren hatte die Forschergruppe entdeckt, dass die dabei freigesetzte Oberflächenenergie ausreicht, um mikroskopisch kleine Tröpfchen von einer stark wasserabweisenden Unterlage springen zu lassen.

In der Thermodiode befindet sich etwas Wasser in einem 1,6 Millimeter dünnen Spalt zwischen zwei Metalloberflächen. Die eine Oberfläche ist von einem Geflecht hauchdünner Kupferfäden bedeckt und wird daher sehr gut von Wasser benetzt. Die andere ist dagegen mit winzigen Buckeln gespickt und mit einem Kohlenwasserstofffilm überzogen und daher stark wasserabweisend. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet, wenn die wasserliebende Oberfläche die wärmere ist: In diesem Fall ist der Wärmefluss rund 100 Mal größer als im umgekehrten Fall, wenn das kondensierende Wasser von dem kühlen Kupfergeflecht förmlich aufgesaugt wird, berichten die Forscher im Fachblatt „Applied Physics Letters“.

Der Hauptvorteil der neuen Methode gegenüber bisherigen Wärmegleichrichtern sei, dass sie unabhängig von der Schwerkraft arbeite, so Chen weiter. „Weil die springenden Tröpfchen in unserem System sehr klein sind, ist der Einfluss der Schwerkraft vernachlässigbar klein.“ Daher könne die Methode in tragbaren Geräten und auch in Raumfahrzeugen eingesetzt werden. Zugleich lasse sich die Gesamtfläche des Systems leicht vergrößern, sodass es Computerprozessoren ebenso kühlen könne wie Häuserdächer.

Forschung: Jonathan B. Boreyko, Yuejun Zhao und Chuan-Hua Chen, Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University, Durham

Veröffentlichung Applied Physics Letters, Vol. 99, Artikel 234105, DOI 10.1063/1.3666818

WWW:
Microscale Physicochemical Hydrodynamics Lab, Chen-Hua Chen
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