Nanobooster für Thermoelektrika

Thermoelektrische Materialien können elektrischen Strom in Temperatur­differ­enzen umwandeln oder umge­kehrt Tempe­ratur­diffe­renzen in Strom. Dadurch eignen sie sich nicht nur zur Kühlung, sondern auch dazu, Abwärme in Strom zu ver­wandeln und indus­trielle Prozesse energie­effi­zienter zu gestalten. Noch sind gängige Thermo­elek­trika aller­dings nicht effi­zient genug, um für größere Anwen­dungen rele­vant zu sein. Sie fristen deshalb ein techno­lo­gisches Nischen­dasein – auf­grund ihres vibra­tions­freien Betriebs etwa zur Kühlung von Kompo­nenten in Elek­tronen­mikro­skopen oder zur Strom­ver­sor­gung von Satel­liten.

In den letzten Jahren haben neue thermoelektrische Materialien mit ver­bes­serten Güte­faktoren jedoch für Auf­sehen gesorgt und lassen tech­nische Anwen­dungen erwarten. Ein weiterer wichtiger Schritt in diese Richtung ist jetzt Forschern in China geglückt. Ihnen gelang es, passende Nano­teilchen so in ein Thermo­elek­trikum ein­zu­betten, dass dessen Effi­zienz um rund die Hälfte besser wurde. Das verdankt sich gleich mehreren posi­tiven Effekten, die die maß­ge­schnei­derten Nano­teilchen auf das Material besaßen.

Als Grundlage diente den Forschern der Halbleiter Kobalt­anti­monid. Darauf brachten sie Kobalt-Nano­teilchen auf, mit einem Volumen­anteil von etwa 0,2 Prozent. Die Nano­partikel bestanden im Schnitt nur aus gut 10.000 Atomen. Das führte zu einer beson­deren Eigen­schaft. Kobalt ist ferro­magne­tisch. Größere Teilchen besitzen deshalb ver­schiedene magne­tische Domänen. Nano­teilchen sind aller­dings zu klein, um mehrere solche Domänen aus­zu­prägen. Sie ver­halten sich wie ein kollek­tiver Elementar­magnet. Dadurch zeigen sie das Phänomen des Super­para­magne­tismus und können etwa bei hohen Tempera­turen ihre Aus­rich­tung zufällig ändern. Dazu müssen sich die höch­stens zehn Nano­meter großen Nano­teilchen über der Über­gangs­tempe­ratur von 442 Kelvin befinden, bei der das ferro­magne­tische Ver­halten in super­para­magne­tisches umschlägt. Typische Anwen­dungen eines solchen Thermo­elek­trikums liegen ober­halb dieser Tempe­ratur, so dass dies kein Hindernis dar­stellt.

Die Nanoteilchen veränderten einige wichtige Eigenschaften des Kobalt­anti­monids, die mit dem Trans­port von Ladung und Phononen zusammen­hingen. Erstens dienten sie als Elek­tronen­quelle und stellten pro Nano­partikel rund 10.000 freie Elek­tronen zur Ver­fügung. Zweitens streuen sich Elek­tronen an den fluktu­ie­renden super­para­magne­tischen Teilchen. Das erhöht den Seebeck-Koeffi­zienten, der die elek­trische Spannung pro Tempe­ratur­diffe­renz angibt. Und drittens ver­lang­samen die zufällig ver­teilten Nano­teilchen den Wärme­fluss.

Insgesamt stieg durch diese Effekte der thermoelektrische Güte­faktor der Kobalt­anti­monid-Ver­bin­dung von 1,3 auf knapp 1,8. Es gibt zwar inzwischen mit Blei­tellurid, Zinn­selenid und Kupfer­selenid Thermo­elek­trika, die einen noch etwas höheren Güte­faktor auf­weisen. Die starke Erhöhung des Güte­faktors durch Zugabe passen­der Nano­partikel könnte aber auch deren Effi­zienz noch weiter erhöhen. Die Forscher über­prüften ihr neues Ver­fahren auch anhand von Eisen- und Nickel-Nano­teilchen und konnten eben­falls einen Anstieg des thermo­elek­trischen Güte­faktors nach­weisen.

Potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für effiziente Thermo­elek­trika gibt es viele. Rund zwei Drittel der indus­triell genutzten Primär­energie gehen als Abwärme ver­loren. Wenn es gelänge, auch nur einen gewissen Teil der Abwärme an einigen wenigen neural­gischen Stellen mit hohem Energie­umsatz in elek­trischen Strom zu ver­wandeln, ließe sich damit die Energie­effi­zienz spürbar ver­bessern. Noch hakt es bei der Umsetzung aber an geeig­neten Materi­alien, die sowohl effi­zient genug als auch chemisch dauer­haft stabil sind. Sie dürfen auch in der Hand­habung nicht toxisch sein – durch­aus ein Problem für einige Thermo­elek­trika, die Schwer­metalle ent­halten.

Das nun von Zhang und Kollegen vorgestellte Material hat trotz seiner Vor­züge hier mit einigen Schwierig­keiten zu kämpfen, die einem Ein­satz unter rauen Alltags­bedin­gungen im Weg stehen. So ist noch nicht klar, wie lange die Nano­teilchen unter erhöhten Tempera­turen stabil bleiben und ob sie sich even­tuell nach einiger Zeit im Material zusammen­klumpen und dabei ihre wünschens­werten Eigen­schaften wieder ver­lieren. Ihre Her­stel­lung und Verar­beitung ist außer­dem noch relativ auf­wändig. Anderer­seits lässt sich das neue Ver­fahren auch mit anderen Nano­teilchen und Material­kombi­nationen durch­führen. Es besteht also durchaus Hoffnung, nano-geboostete Thermo­elek­trika in nicht allzu ferner Zukunft auch in Anwen­dungen zu sehen.

Dirk Eidemüller

RK