Ein Forscherteam aus Illinois hat mithilfe Künstlicher Intelligenz und 3D-Druck einen Wärmetauscher entwickelt, der die Leistung herkömmlicher Systeme deutlich übertrifft. Er soll in besonders anspruchsvollen Bereichen wie der Raumfahrt zum Einsatz kommen.
Ob als Klimaanlage, Kühlschrank oder in Rechenzentren: Kühlsysteme gewinnen zunehmend an Bedeutung. Das Herzstück vieler dieser Systeme sind Wärmetauscher, die Wärme von einem Stoffraum in einen anderen befördern.
Sie lassen sich relativ einfach herstellen, bestehen aus gewundenen Rohren und rechtwinkligen Verbindungen. Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign wollen Kühlsysteme nun jedoch mit neuartigen Wärmetauschern optimieren. Dafür setzen sie auf 3D-Drucker und Künstliche Intelligenz.
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Hocheffizienter Wärmetauscher dank KI
Statt sich auf klassische Designs zu verlassen, haben die Forscher ein vollkommen neues Innenleben für Wärmetauscher entwickelt. Dieses beinhaltet gewellte Kanäle, kleine Pyramiden und winzige Lamellen, die die Oberfläche vergrößern und damit die Wärmeabgabe effizienter machen sollen.
Ziel ist es, einen besonders gebräuchlichen Kältemittelkreislauf (mit dem Stoff R-134a) zu optimieren. Dieser Kreislauf ist auch Teil gängiger Klimaanlagen. Kaltes Wasser kühlt dabei das gasförmige Kältemittel ab und verflüssigt es. Damit die Wärme besonders gut übertragen wird, müssen sich Wasser und Kältemittel möglichst eng mit einer dünnen Trennwand berühren.
Um die Grenzflächen zu vergrößern, haben die Forscher 36.000 Simulationen durchgeführt und mithilfe künstlicher Intelligenz ein optimales Design ermittelt. Anschließend produzierten sie das Bauteil mit einer speziellen 3D-Drucktechnik: dem sogenannten Laser-Sintern. Dabei verschmilzt eine Anlage Schichten aus Metallpulver – in diesem Fall Aluminium.
Leistungsdaten setzen neue Maßstäbe
Das Ergebnis: Der neue Wärmetauscher konnte mehr Wärme transportieren als viele gängige Standardmodelle – und das bei gleichbleibender Pumpenleistung. Die Leistungsdichte des Systems soll den Forschern zufolge bei über sechs Megawatt pro Kubikmeter liegen. Das entspricht in etwa einer Effizienzsteigerung von bis zu 50 Prozent im Vergleich zu klassischen Systemen.
So beeindruckend die Technologie auch erscheint, wird sie wohl nicht Einzug in Kühlschränke erhalten. Denn das genutzte 3D-Druck-Verfahren der Forscher ist relativ langsam und teuer – zumindest im Vergleich zu einer konventionellen Fertigung. Für einen Einsatz in Bereiche mit besonderen Anforderungen ist die Technologie offenbar aber bereits relevant. Darunter: die Raumfahrt, Hochleistungsfahrzeuge oder Schiffe mit sensibler Elektronik.
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