Ultraschall bringt Phasenwechselmaterialien für die Energiespeicherung voran

Mit der weltweit steigenden Nachfrage nach effizientem Energiemanagement gewinnen Phasenwechselmaterialien (PCMs) als leistungsfähige Lösung für die Speicherung thermischer Energie zunehmend an Bedeutung. Diese Materialien können beim Schmelzen und Erstarren große Wärmemengen aufnehmen und abgeben. Dadurch sind sie für Anwendungen von der Gebäudeklimatisierung über die Batteriekühlung bis hin zu Systemen für erneuerbare Energien wertvoll.
Trotz ihrer vielversprechenden Eigenschaften stehen viele PCMs jedoch vor praktischen Herausforderungen, die ihren breiten Einsatz einschränken. Forschende und Ingenieure setzen zunehmend auf die Behandlung mit Hochleistungsultraschall – auch als Beschallung bezeichnet –, um diese Hindernisse zu überwinden und das volle Potenzial von Phasenwechselmaterialien auszuschöpfen.
Die Ultraschallbehandlung ermöglicht die Herstellung von mit Nanopartikeln verbesserten und nanoverkapselten PCMs, verbessert die Dispersionsstabilität und hilft, die thermische Leistungsfähigkeit zu optimieren. Daher entwickelt sich die Beschallung zu einer der wirksamsten Technologien zur Herstellung fortschrittlicher PCM-Systeme.

Ultraschallhomogenisator UIP2000hdT zur Verarbeitung von PCMs

Warum Phasenwechselmaterialien für die Energiespeicherung wichtig sind

Phasenwechselmaterialien speichern Energie in Form von latenter Wärme, die beim Schmelzen aufgenommen und beim Erstarren des Materials freigesetzt wird. Anders als herkömmliche Materialien, die Wärme allein durch Temperaturänderungen speichern, können PCMs große Energiemengen bei nahezu konstanten Temperaturen speichern und abgeben.
Diese Eigenschaft macht sie für Wärmemanagementsysteme besonders attraktiv. In Gebäuden können PCMs die Innentemperaturen regulieren, indem sie tagsüber überschüssige Wärme aufnehmen und diese bei sinkenden Temperaturen wieder abgeben. In Systemen für erneuerbare Energien helfen sie, thermische Energie aus Solarkollektoren zu speichern. Sie werden außerdem zunehmend zur Elektronikkühlung, zum thermischen Management von Batterien und für temperaturgeführte Transporte eingesetzt.
Salzhydrate und organische Materialien gehören zu den am umfassendsten untersuchten PCMs. Beispielsweise hat Glaubersalz (Natriumsulfat-Decahydrat) aufgrund seiner hohen Schmelzenthalpie und geeigneten Phasenübergangstemperatur großes Interesse geweckt. Diese Eigenschaften ermöglichen es, erhebliche Mengen thermischer Energie effizient zu speichern.
Viele PCM-Systeme weisen jedoch Stabilitätsprobleme auf, die vor einem breiten Einsatz behoben werden müssen.

Die anhaltenden Herausforderungen herkömmlicher PCMs

Phasenwechselmaterialien können zwar große Energiemengen speichern, doch ihre Leistungsfähigkeit in der Praxis hängt häufig davon ab, wie stabil das Material bei wiederholten Heiz- und Kühlzyklen bleibt. Viele PCMs weisen Phasensegregation, Unterkühlung und eine geringe Dispersionsstabilität auf, was ihre thermische Leistungsfähigkeit im Laufe der Zeit beeinträchtigen kann.
In Salzhydratsystemen wie Glaubersalz sind diese Probleme besonders ausgeprägt. Phasensegregation kann auftreten, wenn sich verschiedene Komponenten während des Schmelzens voneinander trennen, während Unterkühlung verhindern kann, dass das Material bei der erwarteten Temperatur kristallisiert. Dies verzögert die Wärmeabgabe und verringert die Systemeffizienz.
Ein weiteres häufiges Problem ist die Bildung von Aggregaten, wenn Additive oder Nanopartikel in PCM-Formulierungen eingearbeitet werden. Herkömmliche Mischverfahren können Partikel oft nicht gleichmäßig dispergieren, was zu instabilen Dispersionen und uneinheitlichem thermischem Verhalten führt.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, setzen Forschende zunehmend auf die Ultraschallbehandlung, die ein hochwirksames Verfahren zum Dispergieren von Materialien im Mikro- und Nanomaßstab bietet.
 

Wie die Ultraschallbehandlung die PCM-Formulierung verbessert

Die Ultraschallbehandlung beruht auf dem Phänomen der akustischen Kavitation, das auftritt, wenn sich Ultraschallwellen hoher Intensität durch eine Flüssigkeit ausbreiten. Diese Wellen erzeugen mikroskopisch kleine Blasen, die rasch kollabieren und dabei lokal begrenzte Zonen mit extremen Temperaturen, Drücken und Scherkräften hervorrufen.
Dieser Prozess schafft intensive Mischbedingungen, die mit herkömmlichem mechanischem Rühren nicht erreicht werden können. Dadurch kann die Beschallung Partikelagglomerate aufbrechen, die Partikelgröße verringern und Additive gleichmäßig in der gesamten PCM-Matrix verteilen.
Experimentelle Untersuchungen an PCM-Dispersionen zeigen, dass das Mischen mit Ultraschall deutlich kleinere Aggregate und homogenere Mischungen erzeugt als das Rühren mit einem Magnetrührer. Dies führt zu einer verbesserten Stabilität und Reproduzierbarkeit.
Diese Verbesserungen beeinflussen die thermische Leistungsfähigkeit unmittelbar, da eine homogene Dispersion gewährleistet, dass der Phasenwechsel im gesamten Material gleichmäßig erfolgt.

Warum die Ultraschallbehandlung die PCM-Stabilität verbessert

Untersuchungen zeigen, dass das Mischverfahren eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit von PCMs spielt.
Beispielsweise zeigten Versuche mit Salzhydrat-PCM-Dispersionen, dass das Mischen mit Ultraschall die Homogenität und Stabilität gegenüber herkömmlichen Mischverfahren verbesserte.

Die Ultraschallbehandlung verbessert PCM-Systeme durch mehrere Mechanismen:

1. Kleinere Partikelgröße
   Kavitationskräfte zerkleinern große Kristalle oder Aggregate zu feinen Partikeln.
2. Gleichmäßigere Dispersion
   Ultraschall sorgt dafür, dass Additive wie Keimbildner und Verdickungsmittel gleichmäßig verteilt werden.
3. Verringerte Sedimentation
   Feinere Partikel bleiben länger in Schwebe.
4. Bessere thermische Leistungsfähigkeit
   Homogene Systeme weisen gleichmäßigere Phasenübergänge und eine höhere effektive Wärmespeicherung auf.

Mit Nanopartikeln verbesserte Phasenwechselmaterialien: Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit

Eine der spannendsten Entwicklungen in der PCM-Forschung ist das Aufkommen von mit Nanopartikeln verbesserten Phasenwechselmaterialien (NePCMs). In diesen Systemen werden Nanopartikel in die PCM-Matrix eingearbeitet, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen und die Wärmeübertragung zu beschleunigen.
Nanomaterialien wie Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und Metalloxide können die Wärmeübertragungsraten deutlich erhöhen. Nanopartikel neigen jedoch aufgrund starker Anziehungskräfte zwischen den Partikeln zur Agglomeration. Werden diese Ansammlungen nicht ausreichend dispergiert, lassen sich die erwarteten Verbesserungen der Wärmeleitfähigkeit nicht erzielen.
Die Ultraschallbehandlung spielt hier eine entscheidende Rolle. Die durch Beschallung erzeugten intensiven Kavitationskräfte brechen Nanopartikelansammlungen auf und verteilen die Partikel gleichmäßig im gesamten PCM. Die so erhaltenen, mit Nanopartikeln verbesserten PCMs nehmen Wärme schneller auf und geben sie schneller ab, wodurch sie für Anwendungen zur Speicherung thermischer Energie wesentlich effizienter sind.

Nanoverkapselung: Verhindern von Leckagen und Verbesserung der Beständigkeit

Eine weitere wichtige Innovation, die durch die Ultraschallbehandlung ermöglicht wird, ist die Nanoverkapselung von Phasenwechselmaterialien.
Bei nanoverkapselten PCMs ist das Phasenwechselmaterial von einer schützenden Hülle umschlossen – häufig aus Polymeren, Siliciumdioxid oder Hybridmaterialien. Diese Hülle verhindert das Austreten des PCMs beim Schmelzen und schützt das Material vor chemischem Abbau.
Die Beschallung ermöglicht die Herstellung äußerst feiner Emulsionen, die als Grundlage für Mikro- und Nanokapseln dienen. Der Prozess erzeugt gleichmäßige Tröpfchen, die später den PCM-Kern bilden, während die Hüllmaterialien um sie herum polymerisieren oder kondensieren. Die entstehenden Kapseln weisen enge Größenverteilungen und eine verbesserte mechanische Stabilität auf.
Solche verkapselten PCMs werden zunehmend in fortschrittlichen Anwendungen eingesetzt, darunter intelligente Textilien, Beschichtungen, Elektronikkühlung und Wärmemanagementsysteme.

Paraffinwachs als PCM: Ein praktisches Beispiel für die Ultraschallbehandlung

Organische Phasenwechselmaterialien wie Paraffinwachs werden aufgrund ihrer chemischen Stabilität, ihrer nicht korrosiven Eigenschaften und ihrer günstigen Schmelztemperaturen häufig eingesetzt. PCMs auf Paraffinbasis werden üblicherweise in Baustoffen, solarthermischen Anlagen und Technologien zur Temperaturregulierung verwendet.
Paraffinwachs weist jedoch auch eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf und kann bei der Einarbeitung in Emulsionen oder Verbundmaterialien große Tröpfchen oder Aggregate bilden. Die Ultraschallbehandlung bietet eine leistungsfähige Lösung für diese Herausforderungen.
Wird Paraffinwachs mit Hochleistungsultraschall behandelt, zerteilen Kavitationskräfte das geschmolzene Wachs in äußerst feine Tröpfchen und erzeugen dabei stabile Emulsionen oder Dispersionen. Dadurch lässt sich das Wachs gleichmäßig in einem Trägerfluid oder einer Polymermatrix verteilen. Die entstehenden PCM-Formulierungen weisen verbesserte Wärmeübertragungseigenschaften und eine erhöhte Stabilität bei wiederholten Phasenwechselzyklen auf.
Die Ultraschallbehandlung wird außerdem häufig zur Herstellung von Paraffin-Mikrokapseln eingesetzt, bei denen geschmolzene Wachströpfchen in Polymerhüllen verkapselt werden. Diese Kapseln verhindern das Austreten beim Schmelzen und ermöglichen die Integration von Paraffin-PCMs in Baustoffe, Beschichtungen oder Textilien.

Warum Ultraschallgeräte von Hielscher ideal für die PCM-Verarbeitung sind

Hochleistungsultraschallgeräte sind unerlässlich, um die für fortschrittliche PCM-Formulierungen erforderliche Dispersionsqualität zu erreichen. Hielscher Ultrasonics hat sich zu einem führenden Anbieter von Ultraschallprozessoren sowohl für Forschungslabore als auch für die industrielle Fertigung entwickelt.
Systeme von Hielscher ermöglichen eine präzise Kontrolle der Ultraschallamplitude, des Leistungseintrags und der Behandlungsdauer. Dadurch können Forschende PCM-Formulierungen mit außergewöhnlicher Reproduzierbarkeit fein abstimmen. Die Ultraschallprozessoren erzeugen starke und gleichmäßige Kavitationsfelder, die eine effiziente Partikelzerkleinerung, Deagglomeration und Homogenisierung gewährleisten.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Technologie von Hielscher ist ihre Skalierbarkeit. In Laborsystemen entwickelte Prozesse können direkt auf industrielle Ultraschallreaktoren übertragen werden. Dies ermöglicht Herstellern den Übergang von Versuchen im kleinen Maßstab zur kommerziellen Produktion, ohne die zugrunde liegenden Prozessparameter zu ändern.
Ultraschallprozessoren von Hielscher wurden bereits in wissenschaftlichen Studien zur Herstellung von PCM-Dispersionen eingesetzt. Dabei wurde ihre Wirksamkeit bei der Herstellung homogener Mischungen und der Verkleinerung von Partikelaggregaten nachgewiesen.

Fortschritte in der PCM-Entwicklung durch Ultraschallbehandlung

Mit der Weiterentwicklung von Energiesystemen und der steigenden Nachfrage nach effizienter Wärmespeicherung werden fortschrittliche Phasenwechselmaterialien eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Die Leistungsfähigkeit dieser Materialien hängt nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung ab, sondern auch von den Verfahren, mit denen sie hergestellt und verarbeitet werden.
Die Ultraschallbehandlung bietet ein leistungsfähiges und vielseitiges Werkzeug zur Kontrolle der Mikrostruktur von PCM-Systemen. Indem sie gleichmäßige Dispersionen, die Integration von Nanopartikeln und die Nanoverkapselung ermöglicht, hilft die Beschallung, viele der Einschränkungen zu überwinden, die PCM-Technologien bisher behindert haben.

Die Ultraschallbehandlung entwickelt sich rasch zu einer entscheidenden Technologie für PCMs der nächsten Generation, darunter:

• Mit Nanopartikeln verbesserte PCMs
• Nanoverkapselte PCMs
• PCM-Verbundmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit
• Stabile PCM-Emulsionen und -Dispersionen

Die leistungsstarken Ultraschallgeräte von Hielscher für den industriellen Einsatz ermöglichen eine lineare Maßstabsvergrößerung bis zur Produktion im großen Maßstab – dadurch werden Phasenwechselmaterialien von vielversprechenden Labormaterialien zu zuverlässigen Lösungen für die moderne Energiespeicherung und das Wärmemanagement.

Literatur / Referenzen

• Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
• De Paola, Maria Gabriela, Natale Arcuri, Vincenza Calabrò, Marilena De Simone (2017): Thermal and Stability Investigation of Phase Change Material Dispersions for Thermal Energy Storage by T-History and Optical Methods. Energies 10, no. 3: 354; 2017.
• De Paola, Maria; Calabrò, Vincenza; De Simone, Marilena (2017): Light scattering methods to test inorganic PCMs for application in buildings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251; 2017.
• Siahkamari, Leila; Rahimi, Masoud; Azimi, Neda; Banibayat, Maysam (2019): Experimental investigation on using a novel phase change material (PCM) in micro structure photovoltaic cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 100, 2019. 60-66.