Meta-Material: Neue Tarnkappe zur Umlenkung von Wärmeflüssen

Dass sich Licht und Schall mit Hilfe von speziellen Materialien um Objekte herum lenken lassen, ist schon länger bekannt. Neu ist der Einsatz der Methode bei der Wärmeumlenkung. Anwendung könnte der Effekt bei elektronischen Bauteilen finden.

Als Meta-Material bezeichnet man eine künstlich hergestellte Struktur, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder von der in der Natur üblichen abweicht. Eine Platte mit einer solchen Struktur aus Kupfer und Silikon haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nun dazu benutzt, Wärme um einen zentralen Bereich herumzuleiten, ohne dabei den Temperaturverlauf am Rand des Bereichs zu beeinflussen. Der grundsätzliche Aufbau ist simpel: Kupfer ist ein sehr guter Wärmeleiter, der verwendete Silikonwerkstoff namens PDMS ein schlechter.

„Schwieriger war es, für die thermische Tarnkappe die beiden verwendeten Materialien geschickt anzuordnen“, sagtRobert Schittny vom KIT. „Indem wir ringförmige Silikonstrukturen in eine dünne Kupferplatte einlassen, stellen wir ein Material her, das Wärme in verschiedenen Richtungen verschieden schnell leitet. Nur so lässt es sich erreichen, dass ein Umweg um ein verstecktes Objekt zeitlich kompensiert werden kann“, so der Erstautor der Studie weiter.

Zur Untersuchung des Effekts wurde eine einfache, solide Metallplatte an ihrem linken Rand erhitzt. Normalerweise wandert die Wärme in diesem Fall gleichmäßig nach rechts, die Temperatur der Platte nimmt von links nach rechts ab. Genau das gleiche Verhalten zeigt das neue Metamaterial aus Kupfer und Silikon außerhalb der Ringstruktur. Im Innern dringt jedoch zunächst keine Wärme ein. Und im Äußeren gibt es keine Anzeichen dafür, was im Inneren geschieht. „Die Ergebnisse zeigen auf eindrucksvolle Art, dass Methoden aus der Optik auch auf dem fundamental verschiedenen Feld der Thermodynamik anwendbar sind”, sagt Martin Wegener, Leiter des Instituts für Angewandte Physik am KIT. An seinem Institut entstand auch die erste dreidimensionale Tarnkappe für sichtbares Licht.

„Ich hoffe, dass unsere Arbeit die Grundlagen legt für viele weitere Entwicklungen rund um thermodynamische Metamaterialien“, so Wegener. Thermische Tarnkappen stellen ein junges Gebiet der Grundlagenforschung dar. Langfristig jedoch könnten sie in Bereichen Anwendung finden, die ein effektives Wärmemanagement erfordern, etwa in Mikrochips, elektrischen Bauteilen oder Maschinen.

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  1. joachim kaiser sagt:

    Interessante Anwendungsmoeglichkeiten ergeben sich auch in der Fertigungstechnik. Z.B. Schweisstechnik oder Herstellung von Leiterplatinen.