Wissenschaftler entwickeln Formgedächtnis-Folien zur Änderung der Chip-Thermoregulierung

Japanische und deutsche Wissenschaftler haben ein neues elastokalorisches Kühlsystem vorgestellt, das ohne herkömmliche, sperrige Kompressoren oder elektrische Antriebe auskommt. Forscher der Universität Tsukuba und des Karlsruher Instituts für Technologie haben das System dazu gebracht, einen Kühlzyklus direkt aus einer externen Wärmequelle auszulösen.

Wie Formgedächtnislegierungen den Kompressor ersetzten 

Die Entwicklung basiert auf der Verwendung von zwei ultradünnen Metallschichten:

• Aktuator (22 µm, TiNi): Zieht sich bei Erwärmung zusammen und wandelt thermische Energie in mechanische Bewegung um.
• Kältemittel (26,5 µm, TiNiFe): Dehnt sich unter der Kraft der ersten Schicht aus, löst dabei einen Phasenübergang im Kristallgitter aus und absorbiert Wärme.

Der thermische TiNi-Aktuator zeigte ein beeindruckendes Kraft-Weg-Verhältnis von 14,5 N/mm im Vergleich zu 1,1 N/mm bei herkömmlichen elektromechanischen Alternativen. In Labortests lieferte die direkte Erwärmung des Systems durch eine 130 °C heiße Quelle eine Kühlleistung von 3,32 W/g bei einer Temperaturdifferenz von 2,2 K.

Wie kann dies der Mikroelektronik helfen?

Der Hauptnutzen dieser Technologie liegt in ihrer potenziellen Fähigkeit, die Abwärme von Prozessoren zur Selbstkühlung zu nutzen. Derzeit beträgt die Leistungsabgabe des Prototyps nur 2,09 mW, was für moderne Siliziumkristalle nicht ausreicht, und das System erfordert eine zyklische Beheizung sowie schnellere Reaktionszeiten.

Wissenschaftler arbeiten derzeit daran, mehrere Schichten miteinander zu verbinden, um die aktive Materialfläche zu vergrößern und den Wirkungsgrad zu steigern.