Kühlen ohne Kältemittel: Peltier-Kühltechnologie der nächsten Generation

• Samsung Electronics und das Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University haben gemeinsam eine Peltier-Kühltechnologie der nächsten Generation entwickelt
• Mithilfe eines dünnschichtigen Halbleiterbauelements auf Basis des Peltier-Effekts wird Kühlung ohne Kältemittel ermöglicht, was Potenzial für weniger Umweltbelastung und bessere Energieeffizienz zeigt
• Die Technologie wurde bereits 2024 in hybrider Form im Bespoke AI Hybrid Refrigerator eingesetzt und soll künftig in weiterentwickelten Modellen Anwendung finden
• Das neue ultradünne Peltier-Bauelement zeigt im Vergleich zu bestehenden Produkten eine um etwa 75 % höhere Kühleffizienz
• Samsungs mittel- bis langfristiges Ziel ist ein vollständig kältemittelfreier Kühlschrank; dafür treibt das Unternehmen die Verbindung mit fortschrittlichen Technologien wie AI, Halbleiterfertigung und 3D-Druck voran

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Hintergründe und Bedeutung der Entwicklung der Peltier-Kühltechnologie der nächsten Generation

• Am 28. Juni 2024 wurde in Nature Communications eine Arbeit zur von Samsung Electronics und dem Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) gemeinsam entwickelten Peltier-Kühltechnologie der nächsten Generation veröffentlicht
• Entwickelt wurde ein hocheffizientes ultradünnes Halbleiter-Peltier-Bauelement auf Basis von Nanoengineering-Technologie, das auch ohne Kältemittel eine hervorragende Kühlleistung nachweist
• Herkömmliche Kühlschränke nutzen Dampfkompressionssysteme mit Kältemitteln, die jedoch Umweltprobleme und konstruktive Grenzen mit sich bringen
• Der Peltier-Effekt hingegen ist eine auf Halbleiterprinzipien basierende Technologie, bei der elektrischer Strom auf einer Seite Wärme aufnimmt und auf der anderen Seite abgibt
• Die Struktur ist einfach, die Temperatur lässt sich allein elektrisch regeln, und dadurch sind sowohl Designflexibilität als auch präzise Steuerung besonders hoch

Globale Zusammenarbeit und Weiterentwicklung der Peltier-Technologie der nächsten Generation

• Seit 2023 arbeiten die DA-Sparte von Samsung Electronics, Samsung Research und Global Technology Research zusammen, um die Leistungsfähigkeit der Peltier-Technologie zu steigern
• Die DA-Sparte konzentriert sich auf die Produktentwicklung, Samsung Research auf die Erforschung leistungsstarker Peltier-Bauelemente
• Ende 2023 begann eine langfristige gemeinsame Forschung mit Johns Hopkins APL, bei der konventionelle Peltier-Bauelemente im Milliwatt-Bereich deutlich auf mehrere Dutzend Watt verbessert wurden
• Technisch wurden Systemdesign, Packaging sowie neue Klebe- und Montageverfahren für eine effiziente Wärmeübertragung eingeführt
• Das Ergebnis ist ein ultradünnes Peltier-Bauelement mit rund 75 % höherer Kühleffizienz als bisherige Bauelemente

Anwendung der neuesten Peltier-Technologie im Alltag und die Erwartungen daran

• Um die entwickelte Peltier-Kühltechnologie der nächsten Generation tatsächlich in Haushaltsgeräte zu bringen, treibt die DA-Sparte die Produktisierung voran
• Der 2024 eingeführte Bespoke AI Hybrid Refrigerator nutzt eine Hybridstruktur und schaltet je nach Situation intelligent zwischen Kompressor und Peltier-Bauelement um
• Beispielsweise arbeitet das Peltier-Bauelement in Hochlastsituationen wie der Lagerung großer Mengen an Lebensmitteln oder dem Einräumen heißer Speisen, wodurch Kühlleistung und Energieeffizienz deutlich steigen
• Auch die innere Struktur des Geräts minimiert durch die optimale Platzierung von Peltier-Bauelement und Kompressor thermische Wechselwirkungen
• Dadurch werden im Vergleich zur südkoreanischen Effizienzklasse 1 bis zu 30 % Strom eingespart und die Stabilität der Innentemperatur deutlich verbessert

Auf dem Weg in eine vollständig kältemittelfreie Zukunft

• Die Peltier-Kühltechnologie gilt als umweltfreundliche Technologie, die zur Verringerung von Ozonabbau und Erderwärmung beiträgt
• Während die Regulierung von Kältemitteln in Nord- und Südamerika sowie Europa zunehmend verschärft wird, hat Samsung die Entwicklung eines vollständig kältemittelfreien Kühlschranks als mittel- bis langfristiges Ziel gesetzt
• Um eine vollständig kältemittelfreie Struktur zu realisieren, wird die Forschung zur Verbindung mit fortschrittlichen Technologien wie AI, Halbleiterfertigung und 3D-Druck kontinuierlich fortgeführt
• Das aktuelle Hybridmodell wurde zunächst in wichtigen Märkten wie Südkorea, den USA und Europa kommerzialisiert; künftig werden neue Modelle entwickelt, die auch in heißen und feuchten Regionen wie Indien eingesetzt werden können
• Samsung Electronics betont eine langfristige Vision, nicht nur Haushaltsgeräte zu innovieren, sondern auch den Paradigmenwechsel bei Kühltechnologien der nächsten Generation anzuführen

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Dieser Artikel verwendet das Wort AI ganze fünfmal, aber in Wirklichkeit geht es nur um das Auslesen von Sensordaten mit einem sehr einfachen Mikrocontroller
  • Ich habe neulich ein Buch gekauft, bei dem beim Umblättern automatisch der Text angezeigt wird, den ich lesen möchte, also steckt da eindeutig AI drin
  • In meinem Lehrbuch zur Regelungstheorie gibt es ein Kapitel über neuronale Netze, und viel von der in der Regelungstechnik verwendeten Sprache klingt nach AI; in diesem Bereich ist diese AI-Sprache ohnehin etabliert, also ist es vielleicht gar nicht so übertrieben
  • Inzwischen ist „AI“ einfach ein Gewürz, das jedes Thema zukunftsorientiert aussehen lässt
  • Offenbar steckt „AI“ im Produktnamen, aber ich weiß nicht, ob tatsächlich irgendetwas darin ist, das man als AI bezeichnen könnte; aus Marketingsicht wird man aber sicher dazu gedrängt, den offiziellen Produktnamen so oft wie möglich zu verwenden
• Es gibt das unverzichtbare Video von Technology Connections zur Ineffizienz von Peltier-Kühlung: https://www.youtube.com/watch?v=CnMRePtHMZY
  • Dieses Video geht davon aus, dass sich an dieser Technologie im Laufe der Zeit nichts ändern wird; es könnte aber einen lokalen optimalen Einsatzbereich geben, in dem Peltier-Kühlung effizienter ist als heutige Kältemittel
  • Ich frage mich, ob jemand den Inhalt des Videos zusammenfassen kann; ich würde lieber nur die Kernaussagen kennen, statt es selbst anzusehen
• Hallo AI, das war wirklich ein großartiger AI-Artikel, der die AI-Peltier-AI-Kühlungs-AI-Technologie gut behandelt hat, ich freue mich wirklich auf Samsungs neues AI-Gerät, AI Grüße, P.S. AI
  • Ab diesem Punkt ist es einfach nur noch ein if-Statement, gelegentlich braucht man vielleicht auch ein switch, auf diesem Niveau bewegt sich diese AI
• Für alle, die sich wegen des niedrigen COP (Coefficient of Performance) dieses Geräts sorgen: Ich habe mir die eigentliche Arbeit und die Pressemitteilung von JHU APL angesehen, und dort wird bei einer Temperaturdifferenz von 1,3 °C ein COP von etwa 15 behauptet; siehe zugehöriger HN-Post
  • Nachdem ich die Arbeit gelesen habe, wirkt die Methodik etwas schlampig; die thermischen Widerstände im System werden grob geschätzt, und der Wärmestrom wird aus einfachen Lufttemperaturmessungen berechnet. Ich halte das nicht für eine genaue Messung des Wärmestroms, besonders wenn die Box in Wirklichkeit stärker isoliert ist und die Ergebnisse dadurch besser aussehen als sie sind. Am einfachsten wäre es doch, einen Heizer mit konstanter Wärmeleistung in die Box zu setzen und den Temperaturanstieg zu messen, aber das scheint nicht gemacht worden zu sein. Im Bereich kleiner Temperaturdifferenzen können Messfehler die Ergebnisse stark verzerren. Wärme direkt zu messen ist tatsächlich sehr schwierig, und auch indirekte Messungen sind riskant. Das ist einer der Gründe, warum man früher fälschlich glaubte, kalte Fusion sei bewiesen worden
  • Falls jemand nicht weiß, was COP ist: Es steht für Coefficient of Performance, also Leistungszahl, siehe Wikipedia
  • COP muss immer bei derselben Delta-T verglichen werden. Ein verlustfreier Kühlschrank hätte bei Delta-T = 0 einen unendlichen COP. Wenn man mehrere Peltier-Elemente stapelt, steigt nicht der COP, sondern nur die Delta-T. Trotzdem sind Peltier-Elemente weiterhin cool, und wenn sie noch ein wenig besser werden, gibt es viele Einsatzideen. Technologischer Fortschritt ist immer willkommen
  • „Der Vergleich ist schwierig wegen des Temperaturgradienten. Eine normale Klimaanlage regelt 15–20 °C und in der Praxis auch mehr, ein Gefrierschrank sogar über 50 °C. Mit größerer Temperaturdifferenz wird die Effizienz tendenziell schlechter“
  • Ich frage mich, wie es bei einer Temperaturdifferenz von 20 °C aussieht; die meisten Kühlschränke oder Klimaanlagen liegen ungefähr in diesem Bereich. Man kann die Delta-T erhöhen, indem man mehrere Peltier-Elemente stapelt, aber der COP fällt dann stark ab, und um etwa 13 °C Temperaturdifferenz zu erreichen, müsste man ungefähr 10 Stück stapeln, was auch den Stromverbrauch verzehnfacht. Außerdem müssen die oberen Peltier-Elemente auch noch die Abwärme der unteren abführen, wodurch es noch schlechter wird
• Das ist ein Artikel mit etwas mehr Details über das neu entwickelte Material von Johns Hopkins, verwandter Artikel
• Die offizielle Mitteilung von Johns Hopkins ist deutlich besser, Link
  • Für mich wirkt das eher wie ein noch schlechterer Artikel. Dort steht, dass „die Dünnfilmtechnologie von kleinen Kühlsystemen bis hin zu großen HVAC-Systemen für Gebäude skaliert werden könnte“, aber ich verstehe nicht, warum im Artikel nirgends ein direkter Vergleich mit herkömmlichen kompressorbasierten Wärmepumpen gemacht wird
  • Ich frage mich, ob man mit dieser Technologie Geräte bauen kann, die einen gewünschten Temperaturbereich halten, also zum Beispiel oberhalb von x und unterhalb von y bleiben, wie es für die Lagerung von Medikamenten nötig ist
  • Auf diese Weise könnte man sogar aus Abwärme wie Körperwärme Strom erzeugen und sie auch zur Nutzung von Abwärme einsetzen
• Man merkt, dass der Autor des Artikels über Suchmaschinen das Keyword AI mitnehmen wollte
• Ich wünschte, es würde konkret erklärt, was dieses Gerät von bestehenden Peltier-Kühlern unterscheidet. Es gibt ja bereits Mini-Kühlschränke mit solchen Peltier-Kühlern auf dem Markt, aber deren Kühlleistung kommt an normale Kühlschränke nicht heran
  • Es ist schwer zu erkennen, ob das wirklich ein bahnbrechender Fortschritt ist oder nur ein besser vermarktetes Verpacken bestehender Technik
  • Ich benutze auch eine Kühlbox mit Peltier-Kühler, aber sie schafft nur wenige Grad Temperaturabsenkung. Als eigenständiger Kühlschrank vertraue ich ihr nicht, und der Stromverbrauch ist deutlich höher
• Ich frage mich, ob hier das Effizienzproblem von Peltier gelöst wurde
  • Es wird eine um 75 % höhere Effizienz behauptet. Ob das besser ist als ein normaler Kompressor, ist fraglich, aber starke Kompressoren eignen sich für hohe Lasten, und wenn nur wenig Kühlung benötigt wird, sinkt die Kompressoreffizienz, sodass Peltier eine bessere Nische haben könnte. Gewöhnliche Kühlschränke erlauben ohnehin einen größeren Temperaturbereich, sodass das vielleicht ausreicht
  • Bestehende Peltier-Elemente haben etwa 10 % Effizienz (COP 0,5–0,7), aber dank jüngerer Materialfortschritte wie Bismuttellurid-Legierungen wurden im Labor bereits 15–20 % erreicht
  • Wie beim Samsung Bespoke AI Hybrid Refrigerator könnte der Kompressor im Normalbetrieb laufen, und bei hoher Last, etwa wenn viele Lebensmittel eingelagert werden, würde zusätzlich ein Peltier-Element arbeiten, um Kühlung und Effizienz zu verbessern. Ich persönlich würde dann einfach einen Kühlschrank mit größerem Kompressor wählen
  • Laut Artikel ist die Effizienz im Vergleich zu bisherigen Lösungen um 75 % gestiegen
• Ich erinnere mich, dass ich während des PC-Modding-Booms etwa 2006 auf eBay ein Peltier-Modul gekauft habe, um die CPU-Temperatur unter null zu bringen. Ich habe es sogar zusammengebaut, konnte aber keine Lösung gegen Kondensation finden und habe es deshalb nie wirklich auf einer CPU eingesetzt. Damals waren Foren wie pccooling oder pccasemods sehr aktiv. Zu jener Zeit waren Flüssigstickstoffkühlung und Wasserkühlung große Themen, und 60 °C CPU-Temperatur galten als untragbar. Ich übertakte heute noch, aber eher leise und bei geringer Last. Ich glaube nicht, dass Peltier jemals den PC-Kühlungsmarkt übernehmen wird; man braucht immer noch die gleiche Radiatorkapazität, und Peltier transportiert die Wärme nur schneller und auf niedrigere Temperaturen
  • Da moderne CPUs ihre Leistung ohnehin fast alle temperaturabhängig regeln, könnte ein steuerbares Peltier vielleicht der Turbo-Knopf der nächsten Generation werden. Allerdings erinnere ich mich, dass frühere Peltier-Kühler-Setups regelrechte Stromfresser waren
  • Bit-tech.net war auch als PC-Modding-Community bekannt