Maschinen können der Hitze nicht immer standhalten – zwei Ingenieure erklären die Physik, die dahinter steckt, wie Hitzewellen alles bedrohen, vom Auto bis zum Computer

Feb 23, 2024

Gepostet von: Norhasnima Dimacaling 30. August 2023

von Srinivas Garimella, Georgia Institute of Technology und Matthew T. Hughes, Massachusetts Institute of Technology (MIT), [Dieser Artikel erschien zuerst in The Conversation, erneut veröffentlicht mit Genehmigung]

Nicht nur die Menschen müssen kühl bleiben, insbesondere in einem Sommer mit rekordverdächtigen Hitzewellen. Viele Maschinen, darunter Mobiltelefone, Rechenzentren, Autos und Flugzeuge, werden bei extremer Hitze weniger effizient und verschlechtern sich schneller. Auch Maschinen erzeugen ihre eigene Wärme, wodurch die Temperaturen um sie herum noch heißer werden können.

Wir sind Ingenieurforscher, die untersuchen, wie Maschinen mit Wärme umgehen und wie sich andernfalls verschwendete Wärme effektiv zurückgewinnen und wiederverwenden lässt. Extreme Hitze kann sich auf verschiedene Arten auf Maschinen auswirken.

Keine Maschine ist perfekt effizient – ​​alle Maschinen unterliegen während des Betriebs einer gewissen inneren Reibung. Diese Reibung führt dazu, dass Maschinen etwas Wärme abgeben. Je heißer es draußen ist, desto heißer wird die Maschine.

Mobiltelefone und ähnliche Geräte mit Lithium-Ionen-Akkus funktionieren ebenfalls nicht mehr, wenn sie in Klimazonen über 35 Grad Celsius betrieben werden – um eine Überhitzung und eine erhöhte Belastung der Elektronik zu vermeiden.

Kühlkonstruktionen, die innovative Phasenwechselflüssigkeiten verwenden, können dazu beitragen, Maschinen kühl zu halten, aber in den meisten Fällen wird die Wärme letztlich immer noch an die Luft abgegeben. Je heißer die Luft ist, desto schwieriger ist es, eine Maschine kühl genug zu halten, damit sie effizient funktioniert.

Und je näher Maschinen beieinander stehen, desto mehr Verlustwärme wird in die Umgebung abgegeben.

Höhere Temperaturen, sei es durch das Wetter oder die übermäßige Wärmeabstrahlung von Maschinen, können dazu führen, dass sich Materialien in Maschinen verformen. Um dies zu verstehen, überlegen Sie, was Temperatur auf molekularer Ebene bedeutet.

Auf molekularer Ebene ist die Temperatur ein Maß dafür, wie stark Moleküle schwingen. Je heißer es also ist, desto stärker vibrieren die Moleküle, aus denen alles besteht, von der Luft über den Boden bis hin zu Materialien in Maschinen.

Wenn Metall erhitzt wird, vibrieren die darin enthaltenen Moleküle schneller und der Raum zwischen ihnen entfernt sich weiter. Dadurch dehnt sich das Metall aus.

Wenn die Temperatur steigt und die Moleküle stärker vibrieren, vergrößert sich der durchschnittliche Abstand zwischen ihnen, was dazu führt, dass sich die meisten Materialien bei Erwärmung ausdehnen. Dies kann man beispielsweise an Straßen beobachten: Heißer Beton dehnt sich aus, verengt sich und reißt schließlich. Dieses Phänomen kann auch bei Maschinen auftreten, und thermische Spannungen sind nur der Anfang des Problems.

Hohe Temperaturen können auch das Verhalten der Öle im Motor Ihres Autos verändern und zu möglichen Motorausfällen führen. Wenn es beispielsweise durch eine Hitzewelle 30 Grad F (16,7 Grad C) heißer als normal wird, kann sich die Viskosität – oder Dicke – typischer Automotorenöle um den Faktor drei ändern.

Flüssigkeiten wie Motoröle werden bei Erwärmung dünner. Wenn es also zu heiß wird, ist das Öl möglicherweise nicht dick genug, um Motorteile richtig zu schmieren und vor erhöhtem Verschleiß zu schützen.

Darüber hinaus führt ein heißer Tag dazu, dass sich die Luft in Ihren Reifen ausdehnt und der Reifendruck steigt, was den Verschleiß und die Schleudergefahr erhöhen kann.

Flugzeuge sind auch nicht dafür ausgelegt, bei extremen Temperaturen zu starten. Wenn es draußen heißer wird, dehnt sich die Luft aus und nimmt mehr Platz ein als zuvor, wodurch sie dünner oder weniger dicht wird. Diese Verringerung der Luftdichte verringert das Gewicht, das das Flugzeug während des Fluges tragen kann, was zu erheblichen Reiseverzögerungen oder Flugausfällen führen kann.

Im Allgemeinen besteht die in Geräten wie Mobiltelefonen, Personalcomputern und Rechenzentren enthaltene Elektronik aus vielen Arten von Materialien, die alle unterschiedlich auf Temperaturänderungen reagieren. Diese Materialien sind alle auf engstem Raum nebeneinander angeordnet. Wenn die Temperatur steigt, verformen sich verschiedene Materialien unterschiedlich, was möglicherweise zu vorzeitigem Verschleiß und Ausfall führt.

Lithium-Ionen-Batterien in Autos und allgemeiner Elektronik verschlechtern sich bei höheren Betriebstemperaturen schneller. Dies liegt daran, dass höhere Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb der Batterie erhöhen, einschließlich Korrosionsreaktionen, die das Lithium in der Batterie erschöpfen. Dieser Vorgang erschöpft die Speicherkapazität. Jüngste Untersuchungen zeigen, dass Elektrofahrzeuge etwa 20 % ihrer Reichweite verlieren können, wenn sie anhaltendem Wetter mit einer Temperatur von 90 Grad Fahrenheit ausgesetzt sind.

Rechenzentren, das sind Gebäude voller Server, die Daten speichern, leiten erhebliche Mengen Wärme ab, um ihre Komponenten kühl zu halten. An sehr heißen Tagen müssen die Lüfter stärker arbeiten, um sicherzustellen, dass die Chips nicht überhitzen. In manchen Fällen reichen leistungsstarke Lüfter nicht aus, um die Elektronik zu kühlen.

Um die Zentren kühl zu halten, wird die von außen einströmende trockene Luft oft zunächst durch eine feuchte Unterlage geleitet. Das Wasser aus dem Pad verdunstet in die Luft und absorbiert Wärme, wodurch die Luft abgekühlt wird. Diese als Verdunstungskühlung bezeichnete Technik ist normalerweise eine wirtschaftliche und effektive Methode, um Chips auf einer angemessenen Betriebstemperatur zu halten.

Für die Verdunstungskühlung kann jedoch eine erhebliche Menge Wasser erforderlich sein. Dieses Problem ist in Regionen mit Wasserknappheit problematisch. Wasser zur Kühlung kann den ohnehin schon hohen Ressourcenverbrauch von Rechenzentren noch vergrößern.

Klimaanlagen haben Schwierigkeiten, effektiv zu funktionieren, wenn es draußen heißer wird – genau dann, wenn sie am meisten gebraucht werden. An heißen Tagen müssen die Kompressoren von Klimaanlagen mehr arbeiten, um die Wärme aus den Häusern nach draußen zu leiten, was wiederum den Stromverbrauch und den gesamten Strombedarf überproportional erhöht.

In Texas beispielsweise führt jeder Anstieg um 1,8 °F (1 °C) zu einem Anstieg des Strombedarfs um etwa 4 %.

Hitze führt in wärmeren Ländern zu einem erstaunlichen Anstieg des Strombedarfs um 50 % im Sommer, was eine ernsthafte Gefahr von Stromknappheit oder Stromausfällen sowie höhere Treibhausgasemissionen mit sich bringt.

Hitzewellen und steigende Temperaturen rund um den Globus stellen kurz- und langfristig erhebliche Probleme für Menschen und Maschinen dar. Glücklicherweise gibt es Dinge, die Sie tun können, um den Schaden zu minimieren.

Stellen Sie zunächst sicher, dass Ihre Maschinen an einem klimatisierten, gut isolierten Ort oder vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt aufbewahrt werden.

Zweitens sollten Sie erwägen, energieintensive Geräte wie Klimaanlagen zu verwenden oder Ihr Elektrofahrzeug außerhalb der Hauptverkehrszeiten aufzuladen, wenn weniger Menschen Strom verbrauchen. Dies kann dazu beitragen, lokale Stromengpässe zu vermeiden.

Wissenschaftler und Ingenieure entwickeln Möglichkeiten, die enormen Mengen an Wärme, die von Maschinen abgegeben werden, zu nutzen und zu recyceln. Ein einfaches Beispiel ist die Nutzung der Abwärme von Rechenzentren zur Warmwasserbereitung.

Abwärme könnte auch andere Arten von Klimaanlagen antreiben, beispielsweise Absorptionskältemaschinen, die Wärme tatsächlich als Energie nutzen können, um Kühler durch eine Reihe chemischer und wärmeübertragender Prozesse zu unterstützen.

In beiden Fällen stammt die zum Heizen oder Kühlen benötigte Energie aus Wärme, die ansonsten verschwendet würde. Tatsächlich könnte die Abwärme von Kraftwerken hypothetisch 27 % des Klimatisierungsbedarfs von Wohngebäuden decken, was den Gesamtenergieverbrauch und die CO2-Emissionen reduzieren würde.

Extreme Hitze kann jeden Aspekt des modernen Lebens beeinträchtigen und Hitzewellen werden auch in den kommenden Jahren nicht verschwinden. Es gibt jedoch Möglichkeiten, extreme Hitze zu nutzen und für uns nutzbar zu machen.

Srinivas Garimella, Professor für Maschinenbau, Georgia Institute of Technology und Matthew T. Hughes, Postdoktorand, Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.