Die Temperatur T (in Kelvin) ist ein Maß für die (Bewegungs)Energie der Teilchen. Zwischen der Energie Ef pro Freiheitsgrad und der Temperatur gilt der Zusammenhang: Ef = 1/2 · kB · T, wobei kB die Boltzmannkonstante ist.
Ein ideales Gas verfügt über 3 Freiheitsgrade, nämlich die kinetische Energie in x-, y- und z-Richtung. Für die gesamte kinetische Energie Ekin gilt also beim idealen Gas: Ekin = 3/2 · kB · T.
Doppelte Temperatur bedeutet doppelte kinetische Energie. Andererseits beträgt für T = 0 K (–273 °C) die kinetische Energie auch 0. Beim absoluten Temperaturnullpunkt gibt es also keine Bewegung mehr.
Mit einigen meiner Experimente habe ich versucht, eine möglichst tiefe bzw. hohe Temperatur zu erzielen. Zur Bestimmung der Temperatur(en) verwende ich folgendes Messgerät, welches bis zu 4 Temperatursensoren parallel auswerten kann:
Es deckt einen Messbereich von – 200°C bis 1370°C ab. Damit ist es bestens für meine Versuche geeignet.
Erzeugung möglichst tiefer Temperaturen
Tiefe Temperaturen lassen sich relativ einfach nur mit sog. Peltierelementen erzielen. Diese Peltierelemente nutzen den sog. Peltiereffekt, welcher die Umkehrung der sog. Thermospannung ist. Bringt man die Kontaktstellen zweier verschiedener, miteinander verbundener Metalldrähte auf unterschiedliche Temperatur, so kann man die sog. Thermospannung messen. Legt man umgekehrt eine elektrische Spannung an, so kühlt eine Kontaktstelle ab, während sich die andere erwärmt. Peltierelemente bestehen nun nicht nur aus einer Paarung, sondern aus der seriellen Verschaltung vieler solcher Metallpaare. Dadurch generiert man viele Kontaktstellen und dementsprechend größer ist auch die Kühl- bzw. Heizleistung.
Hier sind einige meiner Peltierelemente mit Typenbezeichnung und Betriebsdaten (Spannung und Stromstärke) zu sehen:
Ein Peltierelement kann aber nur dann auf einer Seite ausreichend kühlen, wenn die Wärme der heißen Seite ausreichend abgeführt wird. Daher verwende ich zur Kühlung der heißen Seite einen großen, leistungsstarken CPU-Kühler. Diese finden in PCs ihre Verwendung, um ausreichend Wärme vom Arbeitsprozessor abzuführen, damit dieser nicht überhitzt.
Konkret verwende ich das Modell Dark Rock Pro 3 von Bequiet! Dieses kann bis zu 250W Wärmeleistung abführen. Ich habe ein solches Modell gebraucht um 40 Euro erwerben können.
Mit einem einzelnen Peltierelement (Typ 12708) konnte ich bereits Temperaturen von ca. – 20°C erzeugen. Um noch tiefere Temperaturen zu erzielen, verbaut man mehrere Peltierelemente übereinander. Dabei kühlt die obere, kalte Seite eines Peltierelements die untere, heiße Seite des darüber befindlichen Peltierelements.
Konkret verwendete ich folgende Peltierpyramide:
Damit die nächst untere Etage auch wirklich ausreichend Wärme abführen kann, werden die Peltierelemente nach unten hin immer leistungsstärker. Das oberste Peltierelement zur Erzielung der tiefsten Temperatur ist nur ein kleines und leistungsschwaches Element vom Typ 0703.
Die einzelnen Peltierelemente werden mit Wärmeleitkleber verbunden und zusätzlich die freien Stellen mit Moosgummi oder Styrodur thermisch isoliert. Dadurch kann eine noch tiefere Endtemperatur erzielt werden.
Zur Stromversorgung der Peltierelemente dient ein PC-Netzteil. PC-Netzteile liefern ja folgende Spannungen: +3.3V, +5V und +12V. Damit eignen sie sich sehr gut für den Betrieb (fast) aller Peltierelemente. Lediglich das oberste Peltierelement wurde an einem regelbaren Labornetzteil betrieben.
Ergebnisse:
In der Wohnung erzielte ich mit diesem Setup minimal –62.4 °C:
Am Balkon im kalten Jänner kam ich dann auf –64 °C:
Die mit diesem Setup erzielte Tiefsttemperatur lag also bei –64 °C. Damit liegt man nicht mehr weit weg vom Sublimationspunkt von CO2 (Trockeneis) bei –78.4 °C. Diesen konnte ich aber leider (noch) nicht erreichen.
Einige Jahre vor dem Versuch mit dem Heatpipe-CPU-Kühler hatte ich schon einmal versucht mit einer PC-Wasserkühlung (konkret Corsair H100i) tiefe Temperaturen zu erzielen:
Soweit ich mich erinnere, funktionierte ein erster Test mit einem einzelnen (!) Peltierelement sehr gut und ich konnte eine Temperatur von ca. –21°C erzielen. Ich weiß nicht mehr genau, warum ich damit keinen mehrstufigen Peltieraufbau getestet habe. Bei einem späteren Versuch stellte sich dann leider heraus, dass die Pumpe nicht mehr funktioniert. In weiterer Folge habe ich mir den oben beschriebenen Heatpipe-Kühler von Bequiet besorgt…
Im April 2026 packte mich dann wieder die Lust, es doch noch mit einer Wasserkühlung zu probieren. Auf der österreichischen Verkaufsplattform http://www.willhaben.at bin ich zufällig auf folgende Announce gestoßen:
Da konnte ich natürlich nicht widerstehen und zum Glück bekam ich dann auch trotz mehrerer Interessenten den Zuschlag.
Der SATA-Anschluss mit den drei Kabeln GND (schwarz), +5V (rot) und +12V (weiß):
Der Kühlkopf verfügte über eine USB-C-Buchse:
Die Buchse mit dem einzelnen Tacho-Signal der Pumpe:
Die beiden 4 poligen Lüfterstecker:
Die Belegung der Lüfterbuchsen:
Lässt man den PWM-Steuerpin unbeschaltet, läuft der Lüfter wie gewünscht ständig auf Volllast. Versorgt habe ich beide Lüfter mit +12V und das RPM-Feedbacksignal werte ich auch nicht aus. Zusätzlich gab es noch eine USB-Buchse für das Motherboard zur Kommunikation zwischen PC und Wasserkühlung:
Ich habe an ein altes abgeschnittenes USB-Kabel insgesamt 4 Dupont-Kabeln mit Stecker angelötet (GND, 5V, D+ und D-) und darüber den Laptop mit der Wasserkühlung verbunden:
Leider ertönte kein Poing und Windows erkannte die Wasserkühlung nicht. In der Verkaufsbeschreibung stand aber, dass die Kommunikation mit der PC-Kühlung nicht mehr funktioniere. Vermutlich ist der Controller im Eimer. Ich konnte dadurch aber auch nicht die Pumpe über den Laptop auf 100% stellen. Keine Ahnung mit welchen Prozentsatz sie dann bei den weiteren Versuchen lief…
Ich baute also alles einmal testweise auf und montierte den Peltierstapel mit seinen insgesamt 4 Peltierelementen auf der Kühlfläche. Die Wasserkühlung versorgte ich über ein Netzteil und einem Step-down-converter mit +12V und +5V. Leider verlief der erste Test nicht gerade erfolgreich, denn ich erzielte lediglich –37 °C und dies auch nur sehr kurz. Denn scheinbar konnte die Pumpe die Wärme in keinster Weise zufriedenstellend abführen wegen einer zu geringen Pumpleistung oder es befand sich Luft im Kühlkopf. Auf jeden Fall stieg die Temperatur der Kupferplatte am Kühlkopf massiv an. Dadurch wurde die Pumpe scheinbar in arge Mitleidenschaft gezogen, denn sie schien danach überhaupt nicht mehr zu laufen 🙁
Also musste ich mich um eine neue Wasserkühlung kümmern. Durch die negative Erfahrung mit den beiden Kompakt-Wasserkühlungen von Corsair wollte ich aber nun einen anderen Weg beschreiten. Die Kompaktlösungen mit im Kühlkopf integrierter Pumpe sind einfach nicht für dieses Experiment ausgelegt. Zum einen sind die dafür verwendeten Pumpen sehr schwach und zum anderen ist die gesamte Elektronik und die Pumpe selbst sehr anfällig für Totalausfälle, da sie beide im Kühlkopf untergebracht direkt der großen Hitze ausgesetzt sind.
Deshalb hielt ich Ausschau nach einer Custom-PC-Wasserkühlung mit einer externen und viel leistungsstärkeren Pumpe. Auf willhaben wurde ich wieder schnell fündig und zwar erspähte ich das Modell Thermaltake Pacific C240:
Dieses Angebot konnte ich um 84 Euro inkl. Versand erstehen und es beinhaltet alle für den Betrieb notwendigen Teile wie Radiator, Lüfter, Pumpe mit Ausgleichsbehälter, Kühlkopf und auch einige Schläuche und fittings. Die Pumpe ist nicht regelbar, läuft aber mit 12V bereits auf Volllast.
So, die custom-Wasserkühlung von Thermaltake ist angekommen und ich konnte das Experiment durchführen:
Der Kühlkopf mit den beiden 1/4″ Anschlüssen:
Die mitgelieferten fittings:
Die externe Pumpe, welche mit 12 V betrieben wird und eine Leistung von 18 W besitzt:
Der 240 mm Radiator mit den beiden Lüftern:
Die fittings sind für einen Schlauch mit 3/4″ AD und 1/2″ ID ausgelegt:
Die Lüfter betreibe ich an 12 V, wobei nur zwei der vier Pins belegt sind:
Als Netzteil verwende ich für die 3 unteren Peltierelemente ein PC-Netzteil mit +12 V, +5 V und +3.3 V Ausgängen:
Der gesamte Aufbau:
Als Kühlmittel kommt destilliertes Wasser zum Einsatz. Im System befanden sich scheinbar noch Reste von Kühlmittel, daher die blaue Färbung:
Zuerst sprudelte es noch gehörig im Ausgleichsbehälter aufgrund der vielen Luftblasen im System:
Nach einiger Zeit beruhigte sich aber alles:
Nun zu den ernüchternden Ergebnissen: Ich konnte leider nur eine minimale Temperatur von –55.8 °C erreichen. Damit liege ich rund 7 °C höher als mit dem Heatpipe-Kühler.
Ehrlich gesagt hätte ich eigentlich erwartet, mit der Wasserkühlung tiefer zu kommen. Aber scheinbar arbeiten die Heatpipes auch sehr effektiv. Jetzt frage ich mich, ob ich eventuell den 4-stufigen Peltierstack noch um ein weiteres, winziges Peltierelement erweitern soll. Es gibt nämlich auch solche mit nur 5 x 5 mm Größe. Dieses ist aber nicht Standard und würde mich weitere 35 Euro kosten. Zudem ist die Frage, ob das derzeit oberste Peltierelement 0703 mit 10 x 10 mm Größe überhaupt in der Lage ist, die Wärme eines weiteren abzuführen. Muss mir überlegen, ob ich noch weiteres Geld in dieses Experiment investiere. Ich könnte auch die einzelnen Peltierelemente über separate Netzteile ansteueren und nicht das PC-Netzteil verwenden, eventuell wäre dann noch etwas herauszuholen. Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier aber weiter…
Erzeugung möglichst hoher Temperaturen
Um möglichst hohe Temperaturen zu erzielen, gibt es verschiedene Methoden:
- umgebauter Mikrowellentrafo mit nur 2-3 Sekundärwicklungen, um bei Kurzschlüssen über ein Metallstück sehr hohe Ströme und damit Temperaturen zu erzielen
- Induktionsheizer
- Fresnel-Linse und Ausnützung der Sonnenstrahlung
- parabelförmiger Sonnenkollektor
- Lichtbogen mit einem Neontrafo oder Mikrowellentrafo
Mein Induktionsheizer mit ZVS-Ansteuerung:
Die aus China bestellten Fresnel-Linsen:
Bei einem ersten, schnellen Versuch erzielte ich bereits Temperaturen im Brennpunkt von über 450°C.
Wenn man von einer Intensität der Sonnenstrahlung von rund 600 W/m² ausgeht, so beträgt die mit der 300 mm Fresnellinse aufgefangene Leistung rund 42 W. Diese wird aber bei einer Brennweite der Linse von f = 360 mm in einen Fleck mit der Fläche von nur 7.8 mm² gebündelt! Ähnliche Leistungsdichten erhält man zum Beispiel mit leistungsstarken Lasern.
Hier noch mein parabelförmiger Sonnenkollektor, mit dem sich vermutlich nicht so hohe Temperaturen erzielen lassen:
