Flüssiger Treibstoff für künftige Computer

Forschende der ETH Z¨¹rich und von IBM Research in R¨¹schlikon haben eine winzige Flussbatterie geschaffen. Damit k?nnten k¨¹nftig Computerchip-Stapel, bei denen einzelne Chips platzsparend ¨¹bereinandergelegt werden, mit Energie versorgt und gleichzeitig gek¨¹hlt werden. Bei einer Flussbatterie wird mit einer elektrochemischen Reaktion Strom aus zwei fl¨¹ssigen Elektrolyten gewonnen. Diese werden von aussen ¨¹ber einen Leitungskreislauf in die Batterie-Zelle gepumpt.

?Die Chips werden quasi mit einem fl¨¹ssigen Treibstoff betrieben und produzieren daraus ihren eigenen Strom?, sagt Dimos Poulikakos, Professor f¨¹r Thermodynamik an der ETH Z¨¹rich. Weil die Wissenschaftler zwei Fl¨¹ssigkeiten verwenden, von denen bekannt ist, dass sie sich sowohl als Flussbatterie-Elektrolyte als auch als K¨¹hlmittel eignen, kann ¨¹ber denselben Kreislauf auch ¨¹bersch¨¹ssige W?rme vom Chip-Stapel abgef¨¹hrt werden.

Die von den Wissenschaftlern konstruierte Batterie ist bloss etwa 1,5 Millimeter d¨¹nn. Die Idee w?re, Chip-Stapel schichtweise zu bauen: ein Computerchip, dar¨¹ber die d¨¹nne Batterie-Mikrozelle, die den Chip mit Strom versorgt und k¨¹hlt, dann der n?chste Computerchip und so weiter.

Rekordhohe Leistung

Bisherige Flussbatterien (siehe Kasten) sind riesig und vor allem als Grossspeicher im Einsatz, etwa im Verbund mit Wind- und Solarkraftwerken, um dort vor¨¹bergehend die produzierte Energie zu speichern, damit sie zeitversetzt genutzt werden kann. ?Wir sind die ersten Wissenschaftler, die eine so kleine Flussbatterie bauen, um damit Stromversorgung und K¨¹hlung zu kombinieren?, sagt Julian Marschewski, Doktorand in Poulikakos¡® Gruppe.

Ausserdem ist die Leistung der neuen Mikrobatterie bezogen auf ihre Gr?sse rekordverd?chtig hoch: Pro Quadratzentimeter Batteriefl?che betr?gt sie 1,4 Watt. Zieht man davon die Leistung ab, welche ben?tigt wird, um die fl¨¹ssigen Elektrolyte zur Batterie zu pumpen, resultiert als Nettoleistungsdichte immer noch 1 Watt pro Quadratzentimeter.

Wie die Forschenden ausserdem im Experiment zeigten, sind die Elektrolyt-Fl¨¹ssigkeiten tats?chlich in der Lage, einen Chip zu k¨¹hlen: Sie sind sogar in der Lage, ein Vielfaches der W?rmeenergie abzuf¨¹hren als die Batterie elektrische Energie umsetzt (und die beim Chipbetrieb zu W?rmeenergie umgewandelt wird).

Mit 3D-Druck optimiertes Kanalsystem

Die laut den Wissenschaftlern gr?sste Herausforderung beim Bau der neuen Mikro-Flussbatterie war es, sie so zu konstruieren, dass sie m?glichst effizient mit Elektrolyten versorgt wird und die Pumpleistung gleichzeitig m?glichst gering gehalten werden kann. ?Es galt, den optimalen Kompromiss zu finden?, so Marschewski.

Die elektrochemischen Reaktionen in der Batterie finden in zwei d¨¹nnen und por?sen Elektroden-Schichten statt, die durch eine Membran getrennt sind. Marschewski und seine Kollegen konstruierten mittels 3D-Druck ein Polymer-Kanalsystem, um die Elektrolytfl¨¹ssigkeit m?glichst effizient in die por?se Elektrodenschicht zu pressen. Am geeignetsten von mehreren untersuchten Mustern erwies sich dabei eines aus kegelf?rmig zusammenlaufenden Kan?len.

Auch f¨¹r Gross-Systeme interessant

Die Wissenschaftler haben nun einen ersten Machbarkeitsnachweis f¨¹r die Konstruktion einer kleinen Flussbatterie geliefert. Obschon die Leistungsdichte der neuen Mikro-Flussbatterie sehr hoch ist, reicht der damit produzierte Strom aber noch nicht ganz aus, um damit einen Computerchip zu betreiben. Damit die Flussbatterie in einem Chip-Stapel eingesetzt werden kann, muss sie von Industriepartnern noch weiter optimiert werden.

Wie die Wissenschaftler betonen, ist der neue Ansatz auch f¨¹r weitere Anwendungen interessant, zum Beispiel  f¨¹r Laser. Denn auch diese m¨¹ssen mit Energie versorgt und gek¨¹hlt werden. Oder f¨¹r Solarzellen: Der produzierte Strom k?nnte direkt in der Zelle gespeichert werden und sp?ter bei Bedarf bezogen werden. Gleichzeitig k?nnte das System die Betriebstemperatur der Solarzelle optimal halten. Ausserdem k?nnten mit dem optimierten Ansatz, die Elektrolyt-Fl¨¹ssigkeiten durch die por?se Elektroden zu treiben, auch Gross-Flussbatterien verbessert werden.