11.11.2022 • Energie

Weg zu ungiftigen Thermoelektrika

Synthetische Material besteht aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel.

Zur Umwandlung von Wärme in Strom eröffnen aus unbedenklichen Rohstoffen leicht zugängliche Materialien neue Perspektiven in der Entwicklung von sicheren und preiswerten thermo­elektrischen Materialien. Ein synthetisches Kupfer­mineral erhält durch einfache Änderungen in der Zusammen­setzung eine komplexe Struktur und Mikrostruktur und legt damit die Grundlage für die gewünschten Eigenschaften. Das neue, synthetische Material besteht aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel. Der Herstellungs­prozess sei ziemlich einfach, erklärt der Material­wissenschaftler und CNRS-Forscher Emmanuel Guilmeau vom Crismat-Labor in Caen. „Die Pulver werden einfach mechanisch durch ein Kugelmahl­verfahren in eine vorkristal­line Legierung gebracht und dann bei 600 Grad Celsius verdichtet,“ erläutert er. „Dieser Prozess kann leicht auf den größeren Maßstab übertragen werden.“

Abb.: Ausschnitt der Kristallstruktur des neuen Thermo­elektrikums. (Bild:...
Abb.: Ausschnitt der Kristallstruktur des neuen Thermo­elektrikums. (Bild: Wiley-VCH)

Thermo­elektrische Materialien wandeln Wärme in elektrischen Strom um. Das ist sinnvoll in Industrie­prozessen, in denen aus Abwärme wertvoller Strom gewonnen werden kann. Umgekehrt dienen thermo­elektrische Materialien auch zur Kühlung von elektronischen Bauteilen wie zum Beispiel in Smartphones oder in der Auto­elektronik. Die Materialien sollten dann nicht nur effizient, sondern auch preisgünstig und vor allem gesund­heitlich unbedenklich sein. Thermo­elektrische Bauteile enthalten bislang jedoch teure und giftige Elemente wie etwa Blei und Tellur – diese weisen den höchsten Wirkungsgrad auf. Auf der Suche nach gesünderen Alter­nativen erforschen Emmanuel Guilmeau und seine Arbeitsgruppe Derivate von natürlichen sulfi­dischen Kupfer­mineralen. Diese Minerale bestehen im Wesentlichen aus nicht giftigen, häufig in der Erdkruste vorkommenden Elementen und haben zum Teil auch thermo­elektrische Eigenschaften.

Dem Forschungsteam gelang es jetzt, eine Reihe von thermo­elektrischen Materialien herzu­stellen, die zwei Kristall­strukturen im selben Material vereinen. „Das Ergebnis hat uns sehr überrascht,“ beschreibt Emmanuel Guilmeau diese Entdeckung. „Normalerweise beeinflusst eine Änderung der Zusammen­setzung in dieser Material­klasse die Struktur kaum.“ Die Forschenden ersetzten lediglich einen kleinen Anteil des Mangans durch Kupfer. Dadurch bildeten sich komplexe Mikro­strukturen aus ineinander verschachtelten Nanodomänen, Defekten und elektronisch gleichartigen Grenzflächen, wie sie analysierten. Diese neue Mikro­struktur war die Grundlage für für den Transport von Elektronen und Wärme.

Emmanuel Guilmeau zufolge bleibt das entstandene Material bis 400 Grad Celsius stabil und liegt damit im üblichen Abwärme-Temperatur­bereich vieler Industrie­anlagen. Er ist überzeugt, dass günstigere und ungiftige Materialien auf der Grundlage dieser Entdeckungen entwickelt werden können. Damit könnten die problema­tischen Materialien ersetzt werden.

GdCh / JOL

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