„Pumpenlose Wasserkühlung“ bewältigt 550 W/cm²

Zur Kühlung von leistungsstarker Elektronik wie High-End-Computerchips bedarf es entsprechender Kühllösungen zur Bewältigung der Abwärme. Forscher haben nun eine Art „pumpenlose Wasserkühlung“ entwickelt, die mit Hilfe der Nanotechnologie alle herkömmlichen Kühlmethoden im Elektronik-Bereich in den Schatten stellen soll.

Dabei entwarfen Forscher der Purdue University im US-Bundesstaat Indiana eine spezielle Heatpipe, die sich den sogenannten Kapillareffekt und die physikalischen Eigenschaften von Wasser zunutze macht. Innerhalb der sehr flachen Hohlkonstruktion befinden sich neben gewöhnlichem Wasser kleinste zusammengefügte Kugeln aus Kupfer, deren Zwischenräume zusätzlich mit Kohlenstoffnanoröhren bestückt sind. Das Wasser wird auf der einen Seite durch das zu kühlende Objekt erhitzt, sickert durch die Schicht aus Kupferkugeln und Nanotubes, erreicht seinen Siedepunkt und verdampft auf der anderen Seite. Der Dampf kondensiert schließlich wieder, wodurch das Wasser seinen flüssigen Zustand zurück erhält und wieder in Richtung der Wärmequelle fließt.

Das Besondere an diesem „nanowick“ (wick: engl. für Docht, Lunte) genannten Kühl-Konzept ist, dass das Wasser automatisch zur Hitzequelle zurückgeführt wird, was eine Pumpe überflüssig macht. Das Sieden des Wassers ermöglicht es zudem große Hitzemassen abzuführen. Durch die winzigen Poren in der Kupferschicht, die ähnlich wie bei einem Schwamm wirken, entsteht der kapillare Sog. Je kleiner diese Öffnungen sind, desto stärker ist er. Die zusätzlichen Kohlenstoffnanoröhren mit einem Durchmesser von nur 50 Nanometern verstärken diesen Effekt. Da Kohlenstoff naturgemäß wasserabweisend ist, überzog man die Röhren mit Kupfer.

Diese neuartigen Heatpipes, deren Dicke nur etwa ein Fünftel der herkömmlichen Heatpipes betragen soll, seien angeblich in der Lage eine enorme Wärmeenergie von über 550 Watt pro Quadratzentimeter abzuführen. Somit könnten sie etwa das Zehnfache der Wärmeverlustleistung durchschnittlicher Computerchips bewältigen – wohlgemerkt in Relation zur Oberfläche des Chips gerechnet.

Kühlsysteme auf Basis dieser Technik könnten zunächst in Bereichen wie Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen zum Einsatz kommen, wo bei der Wandlung von Strom enorme Wärme entsteht und Geräte somit vor dem Überhitzen bewahrt werden müssen. Zudem sehe man auch bei militärischer Technik wie Radarsystemen, Lasertechnik und Flugzeugelektronik Bedarf an entsprechend potenter Kühlung, da die dort eingesetzten Mikrochips oft 300 Watt Wärmeenergie pro Quadratzentimeter und mehr generieren.

Allerdings benötige man noch einige Zeit bis die nanowick-Kühlung reif für die Markteinführung sei. Dies könnte jedoch bereits in wenigen Jahren der Fall sein, wie die Mitglieder des Entwicklerteams erwarten. Bedenkt man, dass auch die Industrie in Form von Unternehmen wie Raytheon Co. und Thermacore Inc. sowie das Georgia Tech Research Institute die Entwicklung der neuartigen Kühltechnik unterstützen, klingt diese Schätzung durchaus realistisch. Ob die nanowick-Kühlung später auch für den Endkundenmarkt, beispielsweise zur Kühlung von CPUs oder GPUs, kommen wird, hängt natürlich auch von den Herstellungskosten ab. Genug Leistungspotenzial wäre zumindest vorhanden – auch für extrem übertaktete Hardware.

Wir danken Michael
für das Einsenden dieser News.