Technische Innovation

Computerkühlung mit Wassertropfen: Neue Technik nach Insektenflügel-Vorbild

Hans-Martin Durst Autor, Hemd & Hoodie

Dank einer feuchtigkeitsabstoßenden Beschichtung kann eine neue Kühlvorrichtung mittels Wassertropfen Hitze von Elektronikbauteilen wegleiten.

Zikaden müssen ihre Flügel nicht putzen, denn diese verfügen über eine super-hydrophobe, das heißt feuchtigkeitsabstoßende Oberfläche. Treffen darauf Wassertröpfchen aufeinander, wird durch die Verringerung der Oberflächenspannung Energie freigesetzt, die den nun größeren Tropfen samt eingeschlossener Schmutzpartikel von den Flügeln herunterspringen lässt. Dieses Prinzip haben Wissenschaftler von Intel und der Duke University genutzt, um eine neue Kühltechnik für Hochleistungselektronik zu konstruieren. Statt Verunreinigungen transportieren die Tropfen, die von den erhitzten Komponenten abspringen, jedoch Wärme.

Weil Elektronik wie beispielsweise ein Computerprozessor natürlich nicht nass werden darf, findet der gesamte Vorgang in einer geschlossenen, auf den zu kühlenden Bauteilen angebrachten Kammer statt. Deren Boden ist wie die Zikadenflügel super-hydrophob, während in der schwammartig beschichteten Decke Wasser gebunden ist, das durch Erhitzung zu Tröpfchen kondensiert. Diese fallen auf den Boden, nehmen dort Wärme auf und verbinden sich zu größeren Wassertropfen, die abgestoßen werden. Daraufhin absorbiert die Decke das abspringende Wasser wieder und der Prozess beginnt von Neuem.

Beim Abspringen nehmen die Wassertropfen Wärme mit sich.
Beim Abspringen nehmen die Wassertropfen Wärme mit sich. Gif: Duke University – Chuan-Hua Chen(Montage)

Technik richtet Wassertropfen gezielt auf Hotspots

Das Besondere an dieser Technik ist, dass sie automatisch vor allem jene Stellen an Bauteilen kühlt, an denen sich viel Hitze bildet. Denn dort entstehen durch die Kondensation als erstes Wassertropfen. „Die Kühlung solcher Hotspots ist sehr wichtig für hochleistungsfähige Technik“, erklärt Chuan-Hua Chen von der Duke University. „Ein besseres Kühlsystem wird schnellere Rechner, Elektronik mit längerer Lebensdauer und leistungsfähigere Elektroautos ermöglichen.“ Bereits existierende Kühlvorrichtungen hingegen können sich nicht an wechselnde Hotspots anpassen oder benötigen dafür zusätzliche Energie, was sie ineffizient macht.

Heatpipes aus Kupfer leiten Hitze nicht vertikal ab.
Heatpipes aus Kupfer leiten Hitze nicht vertikal ab. Bild: Flickr – Christiaan Colen(Montage)

Ein weiterer Vorteil der neuen Kühlmethode ist ihre Fähigkeit, unabhängig von der räumlichen Ausrichtung des zu kühlenden Geräts zu arbeiten. So streuen Heatpipes, die auch in PCs zum Einsatz kommen, die Wärme zwar effizient horizontal, leiten sie jedoch nicht vertikal ab. „Unsere Technik bietet eine Lösung für dieses Problem, indem sie die Hitze durch springende Wassertropfen vertikal streut“, sagt Chen. „Dadurch wird es möglich, die Leistung der besten momentan verfügbaren Heatspreader in jeder Hinsicht zu übertreffen.“ Allerdings müssen die Forscher jetzt noch Materialien finden, aus denen sich eine verbesserte Version der Kühlkammer konstruieren lässt, die den Betriebstemperaturen hochleistungsfähiger Elektronik auf Dauer standhält.

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