Der elektrokalorische Effekt ist definiert als die reversible adiabatische Temperaturänderung oder isotherme Entropieänderung eines dielektrischen Materials bei Anlegen oder Entfernen eines elektrischen Feldes. Er ist ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung alternativer Kühltechnologien.
Ferroelektrische Materialien weisen in der Nähe der ferroelektrisch-paraelektrischen Phasenumwandlungstemperatur einen hohen elektrokalorischen Effekt auf. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes richten sich die ferroelektrischen Domänen im Material aus und das Bauteil erwärmt sich. Dies geschieht sehr schnell. Die Wärmeenergie kann an eine Wärmesenke abgeleitet werden, wobei das Material auf seine Ausgangstemperatur abkühlt. Wird das elektrische Feld entfernt, fallen die ferroelektrischen Domänen in ihre Ausgangsposition zurück, das Bauteil kühlt ab und kann Wärmeenergie von einer Wärmequelle aufnehmen. Durch die Integration elektrokalorischer Werkstoffe in einen elektrokalorischen Kreislauf können kompakte und energieeffiziente Kühlsysteme oder Wärmepumpen gebaut werden, die ohne komplexe Mechanik auskommen.
Die Integration elektrokalorischer Werkstoffe in praktische Kühlgeräte bringt mehrere Herausforderungen mit sich, darunter die Optimierung der Materialzusammensetzung, die Verbesserung des Wärmemanagements und die Gewährleistung der Langzeitstabilität.
Keramische Vielschichtbauelemente sind dabei von besonderem Vorteil, da sie im Vergleich zu Dünnschichten ein höheres Kühlvolumen und im Vergleich zu kompakten Werkstoffen eine höhere Durchschlagfestigkeit aufweisen. Hierfür werden am Fraunhofer IKTS hocheffiziente Materialien und Bauelemente entwickelt, die hohe Temperaturwechsel und geringe dielektrische Verluste aufweisen.
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
