Gezielte Temperaturänderung Weshalb elektroaktive Polymere für's Heizen und Kühlen wichtig sind

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Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP entwickeln elektrokalorische Materialien und deren Prozessierung zu funktionalen Komponenten. Als Herzstück eines optimierten Gesamtsystems sind sie, so ist aus Potsdam zu erfahren, eine wichtige Grundlage für die zukünftige Entwicklung von effizienten und kompakten Heiz- und Kühlsystemen. Mehr zu dieser Entwicklung.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IAP haben elektrokalorische Polymerfolien mit einer sehr geringen Dicke von nur vier Mikrometern entwickelt und zu mehrlagigen Komponenten verarbeitet. In Zukunft sollen sie in unterschiedlichen Systemen zum Heizen und Kühlen eingesetzt werden. Zum Beispiel in Wärmepumpen zur Temperierung von Fahrzeuginnenräumen, Batteriemodulen, elektronischen Komponenten, Schaltschränken oder Lasersystemen. "Geringe Schichtdicken sind entscheidend dafür, die elektrokalorischen Systeme schon mit Spannungen weit unterhalb von einem Kilovolt betreiben zu können", erklärt Dr. Michael Wegener, Leiter der Abteilung Sensoren und Aktoren am Fraunhofer IAP. Zusammen mit seinem Team entwickelt und verbessert er verschiedene elektroaktive Polymere – kurz EAP – für vielfältige Einsatzbereiche. Zum Beispiel als elektromechanische Sensoren und Aktoren für Anwendungen in der Soft Robotik, in der Automatisierung, als Schall- und Schwingungsdetektoren, als Ultraschallwandler, als pyroelektrische Schichten für Infrarot-Sensoren oder eben auch als elektrokalorische Materialien für das Heizen und Kühlen.

Das müssen die Polymere im Einsatz können

Elektrokalorische Polymere reagieren auf elektrische Spannungsänderungen mit Temperaturänderungen: So führt das plötzliche Anlegen eines elektrischen Felds zu einer bestimmten, sprunghaften Erhöhung der Temperatur, die umso größer ausfällt, je größer die Änderung des elektrischen Felds ist. Der Grund sind polare Strukturen im Material, die mit dem elektrischen Feld in eine geordnete Ausrichtung gezwungen werden und dabei Energie abgeben. Umgekehrt nehmen sie Energie wieder auf, sobald das elektrische Feld abgeschaltet wird. Das Material kühlt dabei im gleichen Maß sprunghaft ab. Für den technischen Einsatz elektrokalorischer Materialien in Heiz- und Kühlsystemen müssen diese Prozesse hochfrequent wiederholt und so gesteuert werden, dass das Erwärmen und Erkalten in verschiedenen Umgebungen stattfindet. Erst dadurch entsteht eine Wärmepumpe mit nutzbaren, dauerhaft warmen und kalten Bereichen. Für eine hohe elektrokalorische Leistung sind mehrere Eigenschaften des Materials entscheidend, unter anderem eine große Änderung der elektrischen Polarisation, eine hohe dielektrische Festigkeit, geringe thermische Verluste und eine gute mechanische Stabilität.

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Welcher Werkstoff eingesetzt wird

Die Forscher verbessern gezielt die Eigenschaften der elektrokalorischen Materialien und passen die daraus entwickelten Komponenten speziell für individuelle Anwendungen an. Im Fokus stehen dabei chemische und physikalische Modifikationen an PVDF-Terpolymeren sowie die Entwicklung von Komponenten, die aus mehreren Lagen dünner elektrokalorischer Polymerfolien bestehen und für möglichst hohe Temperaturänderungen optimiert sind. Die entwickelten Folien bestehen aus Poly(vinylidenfluorid-Trifluorethylen-Chlorfluorethylen), kurz: P(VDF-TrFE-CFE).

Deshalb ist stapeln wichtig

Ein wesentlicher Aspekt ist das Stapeln der Einzelfolien zu mehrlagigen Strukturen, den sogenannten Komponenten. Das Übereinanderschichten mehrerer Folien mit zwischenliegenden Elektroden erhöht die Menge an elektrokalorischem Polymer, welches mit dem elektrischen Feld interagiert, ohne dass dabei die benötigte Betriebsspannung steigt. Ein derartiger Aufbau sowie der Einsatz vieler solcher Komponenten liefert die geeignete thermische Masse, um die elektrokalorischen Polymere in Heiz- und Kühlsystemen effizient zu nutzen.