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Veröffentlichung in Nature Com­mu­ni­ca­tions

Team unter Leitung der TU Dort­mund recycelt Wär­me­e­ner­gie

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Gerät zum recyclen von Wärmeenergie © TU Dort­mund
Auch in diesem Gerät könnte die Abwärme wieder genutzt werden.

Beim Betrieb von elektronischen Geräten geht Energie durch Wärme verloren. Während diese Wärme bei großen Maschinen bereits genutzt werden kann, war das auf dem Niveau von Mikroprozessoren bislang noch nicht mög­lich. Einem inter­natio­nalen For­schungs­team unter Leitung der TU Dort­mund ist dies nun ge­lungen. Die Er­geb­nisse prä­sen­tie­ren sie in der renommierten Fach­zeitschrift Nature Com­mu­ni­ca­tions.

Etwa 1,5 Prozent des gesamten elektrischen Energieverbrauchs der Welt wird mittlerweile für die Informations- und Kom­mu­ni­ka­tions­tech­no­lo­gi­en aufgewendet, also bei­spiels­weise für die Nutzung von Computern und Mobiltelefonen. Bei ihrem Betrieb wird ein großer Teil dieser Energie nutzlos in Wärme umgewandelt, die aufwändig weggekühlt werden muss. Manche leis­tungs­star­ke Computerprozessoren werden so heiß, dass man darauf Spiegeleier braten könnte.

Um diese Problematik anzugehen, muss einerseits der Energieverbrauch weiter reduziert werden, andererseits kann der Versuch unternommen werden, die entstehende Hitze wieder in nutzbare Energie umzuwandeln. Bei großen Maschinen gelingt das prinzipiell schon seit einiger Zeit. Bei Automobilen können bei­spiels­weise in kleinen „Dampfmaschinen“ oder thermoelektrischen Generatoren die heißen Verbrennungsgase genutzt werden, um Strom für die Bordelektronik zu gewinnen.

Auf dem Niveau sehr kleiner Prozessoren, deren einzelne Komponenten wenige Milliardstel Meter groß sind, war eine solche Wandlung von Wärme in nutzbare Energie bisher nicht mög­lich. Genau dies ist nun einem Team von Forscherinnen und Forschern aus Dort­mund, St. Petersburg, Nottingham, Kiew und Le Mans ge­lungen. Ihre Er­geb­nisse prä­sen­tie­ren sie in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fach­zeitschrift Nature Com­mu­ni­ca­tions.

Eine Milliarde Schaltprozesse pro Sekunde

In moderner Elektronik werden in einem Prozessor pro Sekunde eine Milliarde oder mehr Schaltprozesse durchgeführt. Bei jedem Schaltprozess wird der Prozessor aufgeheizt und kühlt danach ab, bis es zum nächsten Schaltprozess kommt. Daher schwankt die Temperatur des Prozessors entsprechend: Er wird pro Sekunde eine Milliarde Mal aufgeheizt und abgekühlt.

Die Forscherinnen und Forscher simulierten in ihren Untersuchungen die Schaltprozesse im Chip durch den Beschuss mit Laserpulsen in einem Abstand von einer Milliardstel Sekunde. Die daraus resultierende periodische Temperaturvariation nutzten sie, um damit aus der ungenutzten Wärme wiederverwertbare Energie zu erzeugen und in eine magnetische Schicht zu übertragen. Eine solche Schicht kann zur Speicherung und Verarbeitung von Information verwendet werden: Die gewonnene Energie in Form von Magnonen, den elementaren Teilchen einer Spin-Welle, kann zum Schalten der magnetischen Schicht und damit zum Betrieb von Geräten der Informationstechnologie genutzt werden.

„Eine solche Temperaturmodulation ist bereits in vielen elektronischen Geräten vorhanden“, sagt Dr. Alexey Scherbakov, der Teil des Forschungsteams um den Physiker und zukünftigen TU-Rektor Prof. Manfred Bayer ist. „Mit unserer For­schung konnten wir zeigen, wie man sie nutzen kann, anstatt sie zu verschwenden.“

Originalpublikation:
Kobecki, M., Scherbakov, A.V., Linnik, T.L. et al.: Resonant thermal energy transfer to magnons in a ferromagnetic nanolayer. Nat Commun 11, 4130 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17635-1

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