16.07.2018

Nanokraftwerk mit Quantenpunkt

Prototyp einer thermoelektrischen Wärmekraft­maschine erreicht hohe Effizienz.

Die maximale Effizienz jeder Wärmekraftmaschine – von der Gas­turbine bis zum Diesel­motor – wird vom Wirkungs­grad des Carnot-Prozesses festgelegt. Je höher die Temperatur­differenz zwischen zwei Wärme­reservoiren ist, desto höher liegt dieses theoretische Limit. In herkömmlichen Wärme­kraft­maschinen erfolgt der Temperatur­ausgleich über ein Arbeits­gas, das etwa eine Turbine zur Strom­erzeugung in Rotation versetzt. Nun haben schwedische Wissenschaftler erstmals einen völlig neuen Typ einer theoretisch vor 15 Jahren vorgeschlagenen Wärmekraft­maschine realisiert. In dieser werden – angetrieben durch ein thermisches Potenzial – Elektronen zwischen den beiden Wärme­reservoiren ausgetauscht.

Abb.: SEM-Aufnahme des Nano­kraftwerks aus zwei Elektroden mit einem dazwischen liegenden Quanten­punkt aus Nano­drähten (Bild: NanoLund, U. Lund)

„Unser Ansatz zeigt, dass sich Wärme ohne Zwischen­schritt direkt in Elektrizität mit hoher Effizienz umwandeln lässt“, sagt Heiner Linke vom Center for Nano­science der Universität Lund. Gemeinsam mit seinen Kollegen baute er ein thermo­elektrisches Nano­kraftwerk, an dem sie das Prinzip einer Wärme­kraft­maschine mit Teilchen­austausch demonstrierten. In ihrem mikroskopisch kleinen Aufbau dienten zwei filigrane Drähte als Wärme­reservoire mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen. Dazwischen positionierten sie eine winzige Struktur aus Nano­drähten aus Indium­arsenid und Indium­­phosphid.

Diese Nanostruktur zwischen den metallischen Reservoir-Elektroden bildete einen Quanten­punkt, mit dem sich die Beweglichkeit von Ladungs­trägern wie Elektronen kontrollieren ließ. Der Quanten­punkt wirkte als Filter, um nur die zur Strom­erzeugung nutzbaren Elektronen mit einer bestimmten Energie passieren zu lassen. Zu heiße Elektronen wurden blockiert. Von der Temperatur­differenz angetrieben wanderten nun einzelne Elektronen über den Quanten­punkt von der wärmeren zur kälteren Elektrode. Dabei leisteten sie Arbeit, die über einen winzigen Strom­fluss bei etwa einem Volt Spannung exakt gemessen werden konnte.

Dieses Grundlagenexperiment lief in einer tiefgekühlten Umgebung knapp über dem absoluten Null­punkt ab. Die Temperatur­differenz zwischen den beiden Wärme­reservoiren betrug bei den verschiedenen Versuchen nur gut ein halbes Kelvin. Beim Transfer der Elektronen durch den Quanten­punkt konnten Linke und Kollegen bei etwa einem Volt Spannung einen winzigen Stromfluss von gut 100 Piko­ampere messen. Dabei erreichte das thermo­elektrische Nano­kraftwerk etwa seibzig Prozent des entsprechend des Carnot-Prozesses maximalen Wirkungs­grads und war damit vergleichbar effizient wie die besten, optimierten Gas­turbinen.

Abb.: Illustration des Nanogenerators für eine hoch­effiziente direkte Umwandlung von Wärme in Elektrizität (Bild: P. Krantz, Krantz NanoArt)

Für die Bestimmung dieses elektronischen Wärme­flusses und seiner Effizienz griffen die Forscher ergänzend noch auf theoretische Annahmen zurück, die nicht­lineare Effekte, die Coulomb-Abstoßung zwischen den Elektronen und Tunnel­effekte berücksichtigten. Für zukünftige Experimente wollen sie den Wärme­fluss aber direkt messen. Doch dies gestaltet sich bisher bei den gegebenen, experimentellen Rand­bedingungen schwierig, da sich elektronische und thermische Effekte bislang nur ungenügend voneinander getrennt betrachten ließen.

Die Stromerzeugung des nun realisierten thermo­elektrischen Nano­kraftwerks darf nicht mit der thermo­elektrischen Strom­erzeugung über den Seebeck-Effekt in Thermo­elektrika verwechselt werden. Beide Prozess bieten durch den Verzicht auf jedwede, sich bewegenden mechanischen Bauteile den gleichen Vorteil einer direkten Umwandlung von Wärme in Elektrizität. Rein rechnerisch liegen die Wirkungs­grade der Wärme­kraft­maschine im Nano­maßstab aber weit höher als beim thermo­elektrischen Effekt, der auf Thermo­diffusions­strömen durch ein Material basiert.

Konkrete Anwendungen dieses Nanokraftwerks sind vor allem wegen der extrem niedrigen Temperaturen vorerst nicht zu erwarten. „Unser Experiment ist Grundlagen­forschung, um die Grenzen der Energie­umwandlung auszuloten“, sagt Linke. Doch kann er sich vorstellen, dass sich in Zukunft mit diesem Prinzip wartungs­freie Nano­generatoren konstruieren lassen, die etwa auf­geheizte Elektronen in Solar­zellen oder Computer­prozessoren nutzen könnten. Die winzige Strom­ausbeute könnte beim Betrieb von Sensoren oder von Quanten­schalt­kreisen, in denen einzelne Teilchen kontrolliert werden müssen, genutzt werden.

Jan Oliver Löfken

DE

Jobbörse

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin
Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin

Freiburg, 13.-14.03.2024, Berlin, 19.-21.03.2024
Die Präsentationen dauern jeweils eine Stunde, am Ende der Veranstaltung ist Zeit für Q&A eingeplant.

EnergyViews

EnergyViews
Dossier

EnergyViews

Die neuesten Meldungen zu Energieforschung und -technologie von pro-physik.de und Physik in unserer Zeit.

Meist gelesen

Themen