Thermoelektrische Umwandlung: Neuer Weg für die Gewinnung von Strom aus Wärme

Die meisten Kraftwerke wandeln Wärme mit Hilfe von Turbinen in elektrischen Strom um. Das ist nicht besonders effizient: Ein großer Teil der Energie geht dabei verloren. Thermoelektrische Materialien, die Wärme direkt in Strom umwandeln können, sind eine Alternative. Forscher:innen haben nun eine besonders effiziente Art thermoelektrischer Materialien entdeckt.

Metalllegierung als Wärmewandler?

In thermoelektrischen Materialien sorget der sogenannte Seeberg-Effekt dafür, dass bereits geringe Temperaturgradienten innerhalb des Materials Elektronen in Bewegung setzen, sodass ein Strom fließt. Bereits eine dünne Materialschicht reicht aus, um die Wärme von Maschinen oder des Körpers in Strom umzuwandeln.

Diese Umwandlung ist besonders effizient, wenn das verwendete Material eine gute elektrische, aber geringe Leitfähigkeit für Wärme besitzt. Solche Materialien sind indes selten. Bisher versuchten Wissenschaftler:innen, gezielt Fremdatome in Halbleiter-Materialien einzuschleusen und so deren Wärmeleitfähigkeit zu verringern. „Den elektrischen Teil der Gleichung zu steigern, ist dagegen eine weit schwierigere, aber nötige Aufgabe„, erläutert ein Forschungsteam rund um Fabian Garmroudi von der Technischen Universität Wien.

Leitfähige Elektronen im Material dürfen sich in der Theorie nur in einem sehr engen Energiebereich bewegen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Garmroudi und seine Kolleg:innen wollen dies in die Praxis überführen. Dafür haben sie Experimente mit einer Metalllegierung aus Eisen, Vanadium und Aluminium (Fe2VAl) durchgeführt. Diese Legierung erhitzten die Forscher:innen kurzzeitig auf verschiedene Temperaturen von bis zu 1380 Grad und kühlten sie anschließend schnell im Wasserbad ab. Dabei analysierte das Team Struktur und Elektronenverhalten des Materials.

Entscheidend ist der Anderson-Übergang

In ihren Analysen fanden die Wissenschaftler:innen heraus, dass der sogenannte Anderson-Übergang entscheiden für die thermoelektrische Effektivität ist. Dieser Übergang findet statt, wenn zufällig verteilte Unreinheiten im Material eine kritische Dichte überschreiten. „Analog zu Eisschollen im Meer, sind diese zuerst voneinander isoliert und können nicht betreten werden. Wenn jedoch die Anzahl der Eisschollen groß genug ist, hat man eine durchgehende Verbindung, über die man das Meer überqueren kann„, so Garmroudi.

Wenn die Anzahl der Fremdatome in einem Material einen kritischen Wert überschreitet, können sich die Elektronen frei von einem Atom zum anderen bewegen. Dann reichen bereits geringe Temperaturunterschiede im Material aus, um Strom fließen zu lassen. „Am Anderson-Übergang, einem Quantenphasenübergang von lokalisierten zu beweglichen Elektronenzuständen, sind die Bedingungen für das ideale Thermoelektrikum gegeben„, so Garmroudi weiter.

Forschung ermöglicht effizientere Wärmewandler

In den Experimenten zeigten die Forscher:innen auch, dass der Anderson-Übergang nicht nur durch eine vermehrte Zugabe von Fremdatomen erreicht werden kann, sondern auch durch Erhitzen des Materials mit anschließend schneller Abkühlung. Diesen Vorgang bezeichnet man als Quenchen. „Bei hohen Temperaturen schwingen die Atome so stark, dass sie gelegentlich ihre Gitterplätze vertauschen. Beispielsweise befinden sich Eisen-Atome dann dort, wo vorher Vanadium-Atome gewesen sind„, so Ernst Bauer von der TU Wien, Seniorautor der Studie.

Diese hitzebedingten Defekte sorgen dann für eine erhöhte Beweglichkeit der Elektronen. Die chemische Zusammensetzung des Materials muss dafür nicht verändert werden. Die Metallverbindung wird dann zu einem extrem effizienten thermoelektrischen Material.

Die thermoelektrische Leistung der gequenchten Metallverbindung liegt laut Messungen bei 7,6 Milliwatt pro Meter und Quadratkelvin. „ Das ist eine Steigerung um 30 bis 40 Prozent gegenüber den besten dotierten Varianten dieses Systems – und eine der höchsten thermoelektrischen Leistungen, die jemals für einen Festkörper berichtet wurden“, so die Forscher:innen. Die durch Hitze gezielt erzeugten Umlagerungen im Kristallgitter kann die thermoelektrische Leistung des Materials also zusätzlich erhöhen. Diese Grundlagenforschung legt den Grundstein zu besseren, effizienteren Wärmewandlern, die etwa Strom aus Abwärme erzeugen können.

via TU Wien