Strom aus Wärme: Neuartiges Material zeigt vielversprechende thermoelektrische Eigenschaften

Die Idee, Abwärme als Stromquelle zu nutzen, ist nicht neu. Forscher:innen haben nun ein Material entwickelt, dass neue Möglichkeiten für diese Art der Energiegewinnung bietet. Dieses besteht aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel und besitzt eine Mikrostruktur, die seine Elektronen beweglich macht und ihm damit vielversprechende thermoelektrische Eigenschaften verleiht.

Neues, ungiftiges Material

Thermoelektrische Materialien verfügen über die Fähigkeit, Wärme in elektrischen Strom umzuwandeln. So lässt sich beispielsweise die Abwärme aus Industrieanlagen und Kraftwerken nutzen, um daraus Energie zu gewinnen. Derartige Materialien besitzen eine geringe thermische, aber eine hohe elektrische Leitfähigkeit. So entstehen lokale Temperaturunterschiede, die Elektronen mobilisieren, wodurch eine elektrische Spannung entsteht. In der Theorie ein gutes Konzept. In der Praxis stellt sich aber ein Problem: Die meisten thermoelektrischen Materialien enthalten teure und teilweise giftige Elemente wie etwa Blei und Tellur, da diese den besten Wirkungsgrad aufweisen.

Forscher:innen rund um Emmanuel Guilmeau vom CRISMAT-Labor im französischen Caen haben nun ein neues thermoelektrisches Material entwickelt, das aus reichlich verfügbaren und ungiftigen Komponenten besteht. Dafür untersuchte das Team Derivate von natürlichen, schwefelhaltigen Kupfermineralen als mögliche Alternativen zu normalerweise genutzten Materialien. Diese Minerale enthalten Schwefel, Kupfer, Mangan und Germanium und bestehen also im Wesentlichen aus nicht giftigen Elementen, die in der Erdkruste häufig vorkommen.

Die thermoelektrischen Eigenschaften dieser Mineralien sind von Natur aus eher schwach. Um dem entgegenzuwirken, ersetzten die Forscher:innen einen Teil des natürlich in ihnen vorkommenden Mangans durch Kupfer. Analysen ergaben, dass dies die Kristallstruktur des Minerals so veränderte, dass sich komplexe Mikrostrukturen bildeten, die aus Defekten, Nanodomänen und elektronisch gleichartigen Grenzflächen bestehen. Dass entstandenen synthetische Material vereinte so zwei Kristallstrukturen im selben Material. „Das Ergebnis hat uns sehr überrascht. Normalerweise beeinflusst eine Änderung der Zusammensetzung in dieser Materialklasse die Struktur kaum„, so Guilmeau.

Gute thermoelektrische Eigenschaften dank neuer kristalliner Mikrostruktur

Das Entscheidende an dieser Änderung: Die neue kristalline Mikrostruktur brachte das gewünschte Ergebnis mit sich und verstärkte die thermoelektrischen Eigenschaften des Materials. Es wandelte sich von einem Halbleiter mit relativ hohem Widerstand zu einem metallähnlichen leitenden Material. Die thermische Leitfähigkeit sank bis zu Temperaturen von rund 450 Grad immer weiter ab. Das Team ermittelte, das dies daran lag, dass die Defekte und Grenzflächen im Kristallgitter die Wärmeleitung des Materials hemmten.

Es entstand also ein synthetisches Kupfermaterial, das gute thermoelektrische Eigenschaften aufweist und dabei ungiftig, günstig und bei relativ hohen Temperaturen einsetzbar ist. Die nötige Kristallstruktur bleibt bis gut 400 Grad Celsius stabil, was im üblichen Temperaturbereich der Abwärme vieler Industrieanlagen liegt. Die Forscher:innen gehen davon aus, dass das Material neue Möglichkeiten zur Nutzung von Abwärme zur Stromerzeugung eröffnet. Zudem entsteht das Material in einem Verfahren, dass nach Guilmeaus Angaben leicht skalierbar ist und auf größere Maßstäbe übertragen werden kann.

via Gesellschaft Deutscher Chemiker