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Thermoelektrizität: Abwärme effizient in Strom umgewandelt

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Ob Glühbirne, Computer oder Auto – ein großer Teil der eingespeisten Energie geht heute noch als ungenutzte Abwärme verloren. Einen Ansatz, diese ebenfalls sinnvoll zu verwerten, bieten so genannte thermoelektrische Materialien: Temperaturdifferenzen lassen sich hierin in elektrische Energie umwandeln. Bisher haperte es jedoch am Wirkungsgrad. Kanishka Biswas von der Northwestern University in Evanston, US-Bundesstaat Illinois, und seine Kollegen präsentieren nun einen thermoelektrischen Werkstoff, der doppelt so effizient ist wie frühere Systeme, und öffnen damit den Weg zu einem breiteren Einsatz der Technik.

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Thermoelektrisches Material | Der Halbleiter Bleitellurid wird bereits als Wärme-Strom-Wandler eingesetzt. Um dessen Leistung weiter zu steigern, beeinflussten Forscher nun gezielt die Kristallstruktur des Festkörpers. Sie kontrollierten die eingebrachten Dotierstoffe auf atomarer Skala (Bild oben links: Tellur als rote, Blei als blaue, Fremdatome als grüne Kugeln dargestellt), die in die Bleitelluridmatrix (graue Fläche im mittleren oberen Bild) eingebetteten, nanometergroßen Kristalle aus Strontiumtellurid (blaue Bereiche im mittleren oberen Bild) sowie mikrometergroße Kristallite aus Bleitellurid (Bild oben rechts).

Der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Materials hängt von mehreren Faktoren ab, darunter auch von der thermischen Leitfähigkeit des Stoffs. Denn nur wenn diese niedrig ist, lässt sich die zur Stromerzeugung nötige Temperaturdifferenz aufrechterhalten. Biswas und sein Team wählten für ihre Experimente den Halbleiter Bleitellurid, der bereits als Wärme-Strom-Wandler zum Einsatz kommt. Um dessen Leistung weiter zu steigern, manipulierten sie nun gezielt die Kristallstruktur des Festkörpers. Dabei konzentrierten sich die Wissenschaftler gleichzeitig auf mehrere Größenbereiche: Sie beeinflussten die mikrometergroße Kristallite aus Bleitellurid, die darin eingebetteten, nanometergroßen Kristalle aus Strontiumtellurid sowie die auf atomarer Ebene eingebrachten Dotierstoffe.

Durch die maßgeschneiderte Architektur erreichten sie, dass möglichst viele Phononen – die quantisierten Schwingungen der Teilchen in einem Festkörper – gestreut werden und so der Wärmetransport über Gitterschwingungen eingeschränkt wird. "Jedes Mal, wenn ein Phonon gestreut wird, verringert sich die Wärmeleitfähigkeit. Und genau das wollen wir für mehr Effizienz", erläutert Koautor Mercouri Kanatzidis von der Northwestern University. Auf allen drei Längenskalen erreichten die Forscher simultan eine hohe Phononenstreuung, wobei sich die elektrische Leitfähigkeit nur geringfügig änderte.

Die Effizienz eines thermoelektrischen Materials wird durch eine dimensionslose Gütezahl charakterisiert. Während diese für Temperaturen zwischen 400 bis 600 Grad Celsius bei bisherigen Materialien unterhalb des gewünschten Werts von 2 lag und ihre kommerzielle Nutzung damit eingeschränkt war, erreicht das maßgeschneiderte Material von Biswas und seinen Kollegen einen Wert von etwa 2,2 bei einer Temperatur von rund 640 Grad Celsius. Ein thermoelektrisches Bauteil, das einer Temperaturdifferenz von 600 Grad ausgesetzt ist, könnte so theoretisch 15 bis 20 Prozent der Abwärme in Strom umwandeln, berichten die Wissenschaftler.

Durch diese Rekordleistung findet die Thermoelektrik vielleicht eine breitere Anwendung, meinen die Autoren. Mögliche Einsatzgebiete wären Automobile oder Schiffe, deren Verbrennungsmotoren rund zwei Drittel der Energie in Wärme umsetzen, aber auch Kohle- und Gaskraftwerke. Bereits heute wird Bleitellurid als thermoelektrisches Material genutzt, etwa im Marsrover Curiosity. Allerdings ist das verwendete System hier nur halb so effizient wie das neu entwickelte. In Zukunft wollen die Forscher mit ihrem Ansatz nicht nur Bleitellurid, sondern auch andere thermoelektrische Stoffe optimieren.

38. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 38. KW 2012

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  • Quellen
Nature 489, S. 414–418, 2012

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