Materialforschung: Mit Nano gebacken
Wärme ist in der Energieumwandlung so etwas wie die Kombination aus einer Sackgasse mit einer Einbahnstraße - es gibt kaum einen Weg zurück. Thermoelektrische Materialien bieten eine der wenigen Lösungen: Sie wandeln Hitze in elektrischen Strom. Als zusammengepresster Nanostaub werden sie nun endlich wirkungsvoller.
© Boston College, MIT and GMZ Inc. (Ausschnitt)
Technik ist eine heiße Angelegenheit. Bei fast jedem Prozess, den der Mensch mit Maschinen in Gang setzt, entsteht Wärme. Mitunter sogar so viel, dass er nicht mehr weiß, wohin damit – man denke bloß an die heißen Beine während der Arbeit mit dem Laptop.
In Zeiten, zu denen das Wort "Energiesparen" durch alle Sparten der Politik und Medien läuft, wäre es ein phänomenaler Fortschritt, diese Wärme zurück in eine nutzbare Form von Energie zu wandeln. Doch leider lässt sich elektrischer Strom daraus bislang nur über wenig effiziente Umwege mit Generatoren gewinnen.
Doch es geht auch anders – wenngleich noch längst nicht so wirkungsvoll. Erhitzt man einen elektrischen Leiter nur an einem Ende, versorgt das die dort befindlichen Elektronen mit zusätzlicher Bewegungsenergie. Die Ladungsträger breiten sich flugs im Leiter aus und diffundieren schneller in die kalten Regionen als ihre kühlen Artgenossen es in die entgegengesetzte Richtung schaffen. Es entsteht eine ungleiche Verteilung der Elektronen und somit eine elektrische Spannung, die schließlich dafür sorgt, dass der thermoelektrische Nettofluss bei einem bestimmten Spannungswert zum Erliegen kommt.
Anregende Nachbarn
Der Nachteil bei diesem Effekt ist, dass nicht nur die Elektronen durch die Wärme bewegungsfreudig werden, sondern ebenso die Atomrümpfe. Sie verstärken ihre Schwingungen und regen damit ihre Nachbarn an, welche die Energie wiederum an ihre Umgebung weitergeben. Physiker stellen sich diese Energieleitung gerne mit Hilfe gedachter Teilchen vor, die sie Phononen nennen. Sobald diese den Wärmeunterschied ausgeglichen haben, ist die schöne Thermospannung dahin.
Um das wärmetechnische Aus der Energiewandlung möglichst lange hinauszuzögern und so möglichst viel Strom aus möglichst wenig Wärme zu gewinnen, suchen Materialforscher deshalb nach Stoffen, die zwar gute elektrische Leiter, aber miserable Wärmeleiter sind. In einer Legierung aus Bismut, Antimon und Tellur haben sie eine geeignete Mischung gefunden, die heutzutage in vielen Thermoelementen enthalten ist – und seit über fünfzig Jahren mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeitet.
Als Maß für die Effizienz thermoelektrischer Stoffe dient der so genannte ZT-Wert, der die Qualität des Materials in Abhängigkeit von der Anwendungstemperatur angibt. Um für den technischen Einsatz in Frage zu kommen, sollte er über 1 liegen, doch seit einem halben Jahrhundert schafft die Legierung es nicht, diese Hürde eindeutig hinter sich zu lassen. Erst in neuerer Zeit haben sorgfältig strukturierte Supergitter-Kristalle bessere Werte erzielt. Und höhere Preise, denn derartige Hightech-Produkte sind teuer in der Herstellung.
Eine Scheibe abschneiden
Dass es auch billigere Alternativen gibt, haben jetzt Forscher um Bed Poudel vom Boston College gezeigt. Statt die Atome von Bismut, Antimon und Tellur akribisch auszurichten, zerrieben sie einfach Proben der Legierung zu Staub mit unterschiedlich großen Körnchen, die im Schnitt nur zwanzig Nanometer maßen.
Das Pulver pressten sie heiß zusammen und schnitten sich für ihre Experimente millimeterdünne Scheibchen davon ab. Mit Erfolg, denn die Messungen bewiesen, dass die gepresste Pulver-Legierung schon bei Raumtemperatur einen ZT-Wert von 1,2 erreicht, der bei 100 Grad Celsius sogar auf 1,4 stieg.
Den Grund dafür sehen die Wissenschaftler nach einem Blick durch das Elektronenmikroskop im Aufbau ihrer Pressung. Eine Fülle von Grenzschichten und Nanoinseln im dichten Material streut anscheinend die Phononen sehr viel stärker als die Elektronen und setzt dadurch den Wärmeleitwert herab.
Aus der Sicht des engagierten Energiesparers ist die Effizienz der Stromgewinnung aus Wärme weiterhin äußerst mager. Dennoch könnten Thermoelemente aus gepressten Materialien schon bald kostengünstig produziert werden und beispielsweise in Autos die Motorwärme teilweise in nutzbare elektrische Spannung verwandeln. Oder umgekehrt elektrischen Strom zum Kühlen verwenden, denn der Effekt funktioniert in beide Richtungen. Nur könnte man dann nicht gerade mehr vom Sparen reden.
In Zeiten, zu denen das Wort "Energiesparen" durch alle Sparten der Politik und Medien läuft, wäre es ein phänomenaler Fortschritt, diese Wärme zurück in eine nutzbare Form von Energie zu wandeln. Doch leider lässt sich elektrischer Strom daraus bislang nur über wenig effiziente Umwege mit Generatoren gewinnen.
Doch es geht auch anders – wenngleich noch längst nicht so wirkungsvoll. Erhitzt man einen elektrischen Leiter nur an einem Ende, versorgt das die dort befindlichen Elektronen mit zusätzlicher Bewegungsenergie. Die Ladungsträger breiten sich flugs im Leiter aus und diffundieren schneller in die kalten Regionen als ihre kühlen Artgenossen es in die entgegengesetzte Richtung schaffen. Es entsteht eine ungleiche Verteilung der Elektronen und somit eine elektrische Spannung, die schließlich dafür sorgt, dass der thermoelektrische Nettofluss bei einem bestimmten Spannungswert zum Erliegen kommt.
Anregende Nachbarn
Der Nachteil bei diesem Effekt ist, dass nicht nur die Elektronen durch die Wärme bewegungsfreudig werden, sondern ebenso die Atomrümpfe. Sie verstärken ihre Schwingungen und regen damit ihre Nachbarn an, welche die Energie wiederum an ihre Umgebung weitergeben. Physiker stellen sich diese Energieleitung gerne mit Hilfe gedachter Teilchen vor, die sie Phononen nennen. Sobald diese den Wärmeunterschied ausgeglichen haben, ist die schöne Thermospannung dahin.
Um das wärmetechnische Aus der Energiewandlung möglichst lange hinauszuzögern und so möglichst viel Strom aus möglichst wenig Wärme zu gewinnen, suchen Materialforscher deshalb nach Stoffen, die zwar gute elektrische Leiter, aber miserable Wärmeleiter sind. In einer Legierung aus Bismut, Antimon und Tellur haben sie eine geeignete Mischung gefunden, die heutzutage in vielen Thermoelementen enthalten ist – und seit über fünfzig Jahren mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeitet.
Als Maß für die Effizienz thermoelektrischer Stoffe dient der so genannte ZT-Wert, der die Qualität des Materials in Abhängigkeit von der Anwendungstemperatur angibt. Um für den technischen Einsatz in Frage zu kommen, sollte er über 1 liegen, doch seit einem halben Jahrhundert schafft die Legierung es nicht, diese Hürde eindeutig hinter sich zu lassen. Erst in neuerer Zeit haben sorgfältig strukturierte Supergitter-Kristalle bessere Werte erzielt. Und höhere Preise, denn derartige Hightech-Produkte sind teuer in der Herstellung.
Eine Scheibe abschneiden
Dass es auch billigere Alternativen gibt, haben jetzt Forscher um Bed Poudel vom Boston College gezeigt. Statt die Atome von Bismut, Antimon und Tellur akribisch auszurichten, zerrieben sie einfach Proben der Legierung zu Staub mit unterschiedlich großen Körnchen, die im Schnitt nur zwanzig Nanometer maßen.
Das Pulver pressten sie heiß zusammen und schnitten sich für ihre Experimente millimeterdünne Scheibchen davon ab. Mit Erfolg, denn die Messungen bewiesen, dass die gepresste Pulver-Legierung schon bei Raumtemperatur einen ZT-Wert von 1,2 erreicht, der bei 100 Grad Celsius sogar auf 1,4 stieg.
Den Grund dafür sehen die Wissenschaftler nach einem Blick durch das Elektronenmikroskop im Aufbau ihrer Pressung. Eine Fülle von Grenzschichten und Nanoinseln im dichten Material streut anscheinend die Phononen sehr viel stärker als die Elektronen und setzt dadurch den Wärmeleitwert herab.
Aus der Sicht des engagierten Energiesparers ist die Effizienz der Stromgewinnung aus Wärme weiterhin äußerst mager. Dennoch könnten Thermoelemente aus gepressten Materialien schon bald kostengünstig produziert werden und beispielsweise in Autos die Motorwärme teilweise in nutzbare elektrische Spannung verwandeln. Oder umgekehrt elektrischen Strom zum Kühlen verwenden, denn der Effekt funktioniert in beide Richtungen. Nur könnte man dann nicht gerade mehr vom Sparen reden.
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