Ferroelectric nematic liquid crystals: temperature-tunable electrocaloric fluids with large strength at low fields

Die Kühlung unserer Welt war schon immer mit einem hohen Preis verbunden. Seit über einem Jahrhundert verlassen sich die Maschinen, die unsere Lebensmittel frisch halten und unsere Häuser komfortabel gestalten, auf das Komprimieren von Gasen – ein Prozess, der enorme Mengen an Elektrizität verbraucht und Chemikalien freisetzt, die schädlich für die Atmosphäre sind. Während Ingenieure Jahrzehnte damit verbracht haben, diese Systeme sauberer zu machen, bleibt die grundlegende Methode dieselbe, und die Stromrechnung steigt immer weiter an. Wissenschaftler suchen nun nach einem anderen Weg, einem Weg, bei dem Elektrizität nicht dazu verwendet wird, einen Motor anzutreiben, sondern um die Temperatur eines Materials direkt zu verändern. Dieses Phänomen, bekannt als der elektrokalorische Effekt, funktioniert dadurch, dass ein elektrisches Feld auf eine Substanz angewendet wird, was dazu führt, dass sich ihre internen Atome neu anordnen und Wärme abgeben oder aufnehmen. Das Ziel ist es, ein Material zu finden, das dies effizient tun kann, ohne massiv viel Energie oder komplexe Maschinen zu benötigen, und das idealerweise wie eine Flüssigkeit durch ein System gepumpt werden kann, um Wärme abzutransportieren.

Ein Forschungsteam hat nun eine neue Familie von Flüssigkeiten identifiziert, die der Schlüssel zu dieser Technologie sein könnten. Dies sind nicht die festen Blöcke aus Keramik oder Kunststoff, die üblicherweise für die Kühlung untersucht werden, sondern Flüssigkristalle, die eine einzigartige Eigenschaft besitzen: sie sind ferroelektrisch. Vereinfacht ausgedrückt haben diese Flüssigkeiten Moleküle, die sich natürlich in eine bestimmte Richtung ausrichten und so eine interne elektrische Ordnung erzeugen, ganz ähnlich wie kleine Magnete, die sich in einer Reihe aufstellen. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, verschieben sich diese Moleküle, und diese Verschiebung bewirkt, dass sich das Material erwärmt oder abkühlt. Die Forscher konzentrierten sich auf eine spezielle Art dieser Flüssigkeiten, sogenannte ferroelektrische nematische Flüssigkristalle, und entdeckten, dass sie auf unglaublich schwache elektrische Signale reagieren, die weitahe viel schwächer sind als das, was für feste Materialien benötigt wird.

Das Team testete zwei spezifische Mischungen dieser Flüssigkeiten, die von einem Chemieunternehmen bereitgestellt wurden, um zu sehen, wie sie sich unter einem elektrischen Feld verhalten. Sie maßen die Temperaturänderungen auf zwei Arten. Zuerst berechneten sie die erwartete Änderung, indem sie beobachteten, wie sich die interne elektrische Ausrichtung des Materials bei Temperaturänderung verschob. Diese indirekte Methode deutete darauf an, dass das Anlegen eines Feldes von nur 0,1 Volt pro Mikrometer einen Temperatursprung von fast 0,4 Grad Celsius verursachen könnte. Um dies zu bestätigen, führten sie direkte Messungen durch, wobei sie einen winzigen Temperatursensor direkt in die Flüssigkeit zwischen zwei Elektroden platzierten. Als sie das elektrische Feld an- und ausschalteten, beobachteten sie, wie die Temperatur in Echtzeit stieg und fiel. Die direkten Messungen zeigten eine Temperaturänderung von etwa 0,2 Grad Celsius für ein Feld von nur 0,1 Volt pro Mikrometer. Obwohl diese direkte Zahl kleiner war als die berechnete Vorhersage, erklärten die Forscher, dass die zusätzliche Wärme des Behälters und des Sensors selbst den vollen Effekt maskierte, was bedeutet, dass das wahre Potenzial der Flüssigkeit wahrscheinlich noch höher ist.

Was diese Ergebnisse besonders spannend macht, ist die schiere Stärke des Effekts im Verhältnis zur eingesetzten Leistung. Die Forscher fanden heraus, dass die Temperaturänderung pro angewendeter Einheit des elektrischen Feldes um bis zu 100 Prozent größer ist als bei aktuellen, hochmodernen Feststoffen. Darüber hinaus funktionieren diese Flüssigkeiten über einen weiten Temperaturbereich effektiv. Das Team testete 129 verschiedene Mischungen dieser Flüssigkristalle und stellte fest, dass sie so konstruiert werden können, dass sie zwischen ihrem geordneten und ungeordneten Zustand irgendwo zwischen 0 Grad Celsius und 100 Grad Celsius umschalten. Das bedeutet, dass ein Kühlsystem maßgeschneidert werden kann, um in einem Kühlschrank, einem Auto oder einem Computerchip zu arbeiten, indem man einfach die richtige Flüssigkeitsmischung wählt.

Die Studie untersuchte auch, wie effizient dieser Prozess in einem realen Kühlkreislauf sein könnte. Durch die Modellierung der Bewegung dieser Flüssigkeiten durch ein System, wobei sie Wärme an einer kalten Stelle absorbieren und an einer warmen Stelle abgeben, sagten die Forscher eine Leistungsmetrik voraus, die als Leistungszahl (Coefficient of Performance) bekannt ist. Für eine Temperaturdifferenz von 5 bis 10 Grad könnte die Flüssigkeit einen Wert zwischen 21 und 40 erreichen. Dies ist ein wettbewerbsfähiger Wert, der mit den besten derzeit verfügbaren Feststoffmaterialien vergleichbar ist, jedoch mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Flüssigkeit selbst als Kühlmittel fungieren kann. Da es sich bei dem Material um eine Flüssigkeit handelt, kann sie durch ein Gerät gepumpt werden, was die Notwendigkeit eines separaten Wärmeträgerfluids eliminiert und kompaktere, effizientere Designs ermöglicht.

Die Forscher betonten, dass die elektrischen Felder, die erforderlich sind, um diesen Effekt auszulösen, außergewöhnlich niedrig sind, etwa eine Größenordnung kleiner als das, was für feste Keramiken benötigt wird. Diese niedrige Spannungsanforderung ist ein bedeutender praktischer Vorteil, da dies bedeutet, dass die Elektronik, die ein solches Kühlsystem antreibt, einfacher, kostenginder und weniger anfällig für Ausfälle ist. Obwohl die direkten Messungen aufgrund des experimentellen Aufbaus etwas niedriger ausfielen als die theoretischen Vorhersagen, deutet die Konsistenz zwischen den beiden Methoden und das Verhalten von über hundert anderen Mischungen darauf hin, dass diese Flüssigkeiten ein robuster Kandidat für die Zukunft der Kühlung sind. Die Arbeit behauptet nicht, das Problem der globalen Erwärmung oder des Energieverbrauchs über Nacht gelöst zu haben, aber sie bietet einen greifbaren, messbaren Schritt hin zu einer saubereren, effizienteren Art des Wärmemanagements, indem sie eine einfache Flüssigkeit in ein leistungsstarkes Werkzeug für die nächste Generation der Kältetechnik verwandelt.