Die Ingenieure nutzen hier eine ähnliche Technologie wie bei ihrem Kühlschrank und verwenden Wärmepumpen, Kühlkörper und Wärmerohre zur Abkühlung heißer Stellen, die die Leistung aller Geräte mindern, von Satelliten bis hin zu Smartphones.
Mit fortschreitender technischer Entwicklung nimmt die Bedeutung des Wärmemanagements zu. Für zahlreiche Anwendungen reicht bereit ein einfacher Kühlkörper und ein Lüfter, aber bei Anwendungen, deren Bauteile intensiv arbeiten und viel Wärme erzeugen, sind weitere Schritte erforderlich. Zudem gehören Energieeinsparungen zu den wichtigsten Funktionen moderner elektronischer Geräte. Dies gilt sowohl für mobile Geräte, die mit begrenzten Akkuladungen auskommen müssen, als auch für Bauteile von Raumsonden. Obwohl dies zunächst widersprüchlich klingt, können solche Systeme dem Lüfter einen Großteil der Kühlaufgaben abnehmen, ohne das System viel schwerer zu machen und somit viel Akkuleistung einsparen, die ansonsten für die Kühlung erforderlich wäre.
Haben Sie schon einmal eine schmerzende Schulter mit Alkohol gekühlt? Hierbei erwärmt die warme Hautoberfläche den Alkohol, so dass er vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Mit dem Gas verdunstet auch ein Teil der Wärme der Schulter. Das Gleiche gilt für Körperpflegemittel in Sprühdosen, die durch das Druckgas, das der Verbraucher auf den Körper sprüht, ein Kühlungsgefühl erzeugen. Die Kühlwirkung entsteht durch den plötzlichen Druckabfall des Gases. Dies sind die Grundprinzipien, die Wärmepumpen und Kühlgeräten zugrundeliegen.
So funktioniert ein Kühlschrank
Abbildung 1: Grundmodell der Kältetechnik. (Quelle: Charchitecture)
Sehen Sie sich in der obigen Abbildung zunächst den geschlossenen Kreislauf an, der von der Kompressorpumpe über den Kondensator, das Expansionsventil und den Verdampfer zurück zur Kompressorpumpe führt. Die Pumpe zieht Gas vom Verdampfer ab und pumpt es in den Kondensator (dies ist der Teil außerhalb des Kühlschranks, der bei Berührung warm ist). Dieses Bauteil ist warm, da das Gas bei hohem Druck zu einer Flüssigkeit kondensiert. Das Expansionsventil lässt die Hochdruckflüssigkeit langsam in den Verdampfer einlaufen, in dem aufgrund der Leistung des Kompressors, der Gas vom Verdampfer in den Kondensator gezogen hat, ein Niederdruck herrscht. Im Verdampfer verdunstet die Flüssigkeit aufgrund des niedrigen Drucks, wodurch die Kühlleistung erzielt wird. Der Kompressor entfernt das Gas dann wieder aus dem Verdampfer, wodurch der niedrige Druck erzeugt wird, und der Prozess wird fortgesetzt.
So funktioniert ein Wärmerohr
Wärmerohre funktionieren etwas anders. Der größte Unterschied besteht darin, dass sie keine Pumpe erfordern. Dadurch eignen sie sich besonders für Anwendungen, bei denen es auf Energieeffizienz ankommt, beispielsweise in mobiler Elektronik. Es handelt sich dabei auch nicht wirklich um eine neue Idee, denn diese Technik wird bei Laptops durchgehend eingesetzt.
Abbildung 2: Darstellung eines Wärmerohrs. (Quelle: eTray News)
Am CPU – oder einem anderen Bauteil, das vor Überhitzung geschützt werden soll – wird Flüssigkeit im Wärmerohr erhitzt, bis sie in Form von Dampf die überschüssige CPU-Wärme absorbiert (s. rote Pfeile auf der linken Seite der Darstellung). Der erwärmte Dampf gelangt zum anderen Ende des luftdichten Rohrs, das an einen Kühlkörper grenzt oder ins Freie führt. Das System kann ggf. zusätzlich über einen Lüfter verfügen. In jedem Fall gibt es die eigene Wärme ab, wie in der zweiten Darstellung roter Pfeile dargestellt, und das Gas wird wieder flüssig.
Nun muss die Flüssigkeit wieder zu dem Teil des Wärmerohrs geleitet werden, das in Kontakt mit dem CPU steht. Dies erfolgt über ein Netz aus sehr dünnen Kapillarrohren. Durch einen Prozess, der unter Physikern als Kapillarwirkung bekannt ist, wird die Flüssigkeit in die Kapillarrohre gezogen und eine bestimmte Strecke durch diese hindurchgeleitet, selbst gegen die Schwerkraft. Das System ist so konzipiert, dass die Kapillarwirkung ausreicht, um die Flüssigkeit zum CPU zurückzuleiten, und der Prozess wird fortgesetzt.
In Ihrem Tablet befindet sich heute auch ein eingebautes Wärmerohr
So sieht beispielsweise das Wärmerohrsystem im Surface Pro IV von Microsoft aus.
Abbildung 3: Das Wärmerohrsystem im Tablet Surface Pro IV von Microsoft. (Quelle: Sean Org, Windows Central)
Bei der Flüssigkeit handelt es sich hier um Wasser. Durch die Prozessorhitze verdampft das Wasser. Der Dampf wird zum Geräteständer und zum Lüfter geleitet, wo es wieder zu Wasser kondensiert. Durch den Wärmerohrkreis ist der Lüfter meist gar nicht erforderlich.
Wärmerohre für Raumsonden
Die Doppelwirkung von Wärmeleitsystemen für Raumsonden Wie in terrestrischen Geräten müssen auch hier bestimmte Bauteile gekühlt werden. Aufgrund der extremen Kälte wird jedoch an anderen Stellen Wärme benötigt. Diese Ausgangssituation birgt sowohl Chancen als auch Schwierigkeiten.
Eine der Schwierigkeiten besteht in der Notwendigkeit von Doppelkreissystemen. Der erste Kreislauf entspricht in etwa dem oben beschriebenen und gilt für alle Bauteile der Raumsonde, die zu viel Wärme erzeugen. An einem zentralen Knotenpunkt müssen zwei Aufgaben ausgeführt werden. Die eine besteht darin, die überschüssige Wärme zum zweiten Kreislauf zu leiten. Dieser führt sie dann den Stellen zu, die dem kalten Vakuum des Weltalls ausgesetzt sind und zusätzliche Wärme benötigen, um korrekt zu funktionieren. Die zweite Aufgabe besteht darin, die Hitze, die nicht für die Heizung benötigt wird, in die Leere des Alls abzuführen.
Ein wichtiger Aspekt bei solche Systemen ist die Sicherheit der Raumfahrer, die sich in der Nähe der Bauteile befinden, die überschüssige Wärme produzieren. Der erste Kreislauf darf kein giftiges Wärmeträgermedium verwenden, um die Crew im Falle eines Lecks zu schützen. Dieser Kreislauf, der auf der Kapillarwirkung basiert, ähnelt im Prinzip den Systemen, die für terrestrische Elektronik verwendet werden.
Wenn die räumliche Auslegung eines Raumschiffs solche Systeme ermöglicht, bieten sie den Ingenieuren einen großen Vorteil. Durch Nutzung der bereits erzeugten überschüssigen Wärme für Bauteile, die diese benötigen, bieten sie enorme Energieeinsparungen gegenüber der einzigen Alternative, die darin besteht, mit der knappen Systemenergie die gleiche Energiemenge zu erzeugen. Dadurch steht der Strom, der ansonsten zur Wärmeerzeugung erforderlich wäre, für den Antrieb zusätzlicher Instrumente und Bordgeräte zur Verfügung, was zum Nutzen aller ergiebigere Weltraummissionen ermöglicht.
