Mehr Strom aus Wärme

Cambridge/Chestnut Hill (USA) – In der Raumfahrt werden bereits thermoelektrische Elemente eingesetzt, um aus Wärme direkt Strom zu erzeugen. Für Anwendungen jenseits dieser Nische ist allerdings die Effizienz von Materialien wie Wismuttellurid zu gering. Nun gelang es einem amerikanischen Forscherteam, die Stromausbeute mit einem gepressten Nanopulver zu verbessern. Wie sie in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift "Science" berichten, ist dies ein wichtiger Schritt, um beispielsweise die Abwärme von Kraftwerken für die Stromgewinnung mit thermoelektrischen Modulen nutzen.

"Unsere Methode ist kostengünstig und eignet sich für die Massenproduktion", sagt Zhifeng Ren vom Boston College in Chestnut Hill. Gemeinsam mit Physiker vom Massachusetts Institute of Technology verwendeten sie die Legierung Wismutantimontellurid, das als Festkörper bereits über den Seebeck-Effekt Wärme in Strom umwandeln kann. Für eine Effizienzsteigerung von 40 Prozent zerkleinerten sie diesen Werkstoff in wenige zehn Nanometer feine Kristalle. Dieses Nanopulver pressten sie danach zu einigen Zentimetern großen Blöcken.

Durch den feinkörnigen Aufbau des Materials verringerten die Forscher vor allem die Wärmeleitfähigkeit. Wird nun eine Seite des Werkstücks aufgeheizt, wandern Elektronen vom heißen zum kalten Ende. Es fließt ein nutzbarer Strom. Parallel gleicht sich in herkömmlichen thermoelektrischen Modulen der Temperaturunterschied durch eine von Phononen unterstützte Wärmeleitfähigkeit relativ schnell aus und der Elektronenstrom bricht ab. In dem neuen Material hingegen behindert der nanostrukturierte Aufbau durch eine verstärkte Streuung der Phononen den Wärmetransport. Die Folge: Der Temperaturunterschied bleibt länger erhalten und die immer noch beweglichen Elektronen können so weiterhin durch das Material wandern.

Mit der Leistungszahl ZT kann dieser Effekt quantitativ beschrieben werden. Je höher er ist, desto besser kann eine Material thermoelektrischen Strom erzeugen. Ein Festkörper aus Wismutantimontellurid weist bei 100 Grad Celsius einen ZT-Wert von etwa 1 auf, der mit steigender Temperatur rasch abfällt. Das nanostrukturierte Material dagegen zeigt ZT-Werte von 1,4 bei 100 °C, 1,2 bei Raumtemperatur und sogar noch 0,8 bei 250 °C.

Auch andere Materialien nutzen die Phononen-Blockade für eine Steigerung des thermoelektrischen Effekts. Erst im Januar berichteten Physiker von der University of California in Berkeley, dass sie mit Nanodrähten aus Silizium eine effiziente Phononen-Hemmung erreicht hatten. "Die gezielte Gestaltung der Phonon-Hemmung könnte ein neues Werkzeug werden, um thermoelektrische Materialien zu verbessern", beurteilte Cronin B. Vining von der Entwicklungsfirma ZT Services in Auburn diesen viel versprechenden Ansatz. Allerdings blieb die thermoelektrosche Effizienz von Silizium-Nanodrähten doch hinter den bewährten Metalllegierungen mit ZT-Werten knapp unter 1 zurück.

Gelingen in Zukunft noch weitere Steigerungen des thermoelektrischen Effekts, locken effiziente Module für die direkte Stromgewinnung aus der Abwärme von Kraftwerken. Ganz optimistisch denken einige Wissenschaftler bereits daran, mit Thermoelementen die Wärme der Sonnenstrahlung zu nutzen, um eine Alternative zu photovoltaischen Zellen zu erhalten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• "High Thermoelectric Performance of Nanostructured Bismuth Antimony Telluride Bulk Alloys", B. Poudel et al., Sciencexpress,
  doi: 10.1126/science.1156446
• Boston College in Chestnut Hill:
  http://www.bc.edu/
• Massachusetts Institute of Technology (MIT):
  http://www.mit.edu
• Arbeitsgruppe Mildred Dresselhaus (MIT):
  http://mgm.mit.edu/group/
  

Weiterführende Literatur:

• "Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires", A.I. Hochbaum et al., Nature, Vol. 451, S. 163
  

• "Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials", A.I. Boukai et al, Nature, Vol. 451, S. 168
  

• D. M. Rowe, Ed. CRC Handbook of Thermoelectrics (CRC Press, Boca Raton, FL, 1995).