Restwärmeenergie: Forscher haben ein besonders effizientes thermoelektrisches Material entdeckt: Feststoffe, die Wärme direkt in elektrische Spannung umwandeln können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen verändert kurzes, starkes Erhitzen die atomare Struktur einer Metallverbindung aus Eisen, Vanadium und Aluminium, sodass Elektronen mobil werden. Wird diese Schwelle überschritten, reichen bereits geringe Temperaturunterschiede im Material aus, um Spannungen zu erzeugen.
In den meisten Kraftwerken wird Wärme durch Turbinen in Strom umgewandelt, wobei ein Großteil der Energie verloren geht. Es gibt aber auch einen direkteren Weg: die Nutzung thermoelektrischer Materialien. In ihnen sorgt der sogenannte Seeberg-Effekt dafür, dass bereits kleine Temperaturunterschiede innerhalb des Materials Elektronen in Bewegung setzen und ein Strom fließt. Dadurch reicht bereits eine dünne Materialschicht aus, um beispielsweise die Restwärme von Maschinen oder die eigene Körperwärme in Strom umzuwandeln.
Konzentrieren Sie sich auf Elektronen
Die thermoelektrische Umwandlung ist besonders effizient, wenn das Material eine hohe, aber niedrige elektrische Leitfähigkeit hat. Aber Materialien mit diesen Eigenschaften zu finden, ist nicht einfach. Bisher versucht man dies zu erreichen, indem man gezielt Fremdatome in Halbleitermaterialien einbringt und die Wärmeleitfähigkeit verringert. „Stattdessen ist die Erhöhung des elektronischen Teils der Gleichung eine viel schwierigere, aber notwendige Aufgabe“, erklären Fabian Garmroudi von der Technischen Universität Wien und Kollegen.
Der Theorie zufolge können sich die leitfähigen Elektronen des Materials nur in einem sehr engen Energiebereich bewegen. Was das in der Praxis bedeutet und wie es in einem Material umgesetzt werden kann, haben Garmroudi und sein Team nun untersucht. Dazu führten sie Experimente mit einer Metalllegierung aus Eisen, Vanadium und Aluminium (Fe2VAL) durch, die kurzzeitig auf unterschiedliche Temperaturen von bis zu 1.380 Grad erhitzt und anschließend in einem Wasserbad schnell abgekühlt wurde. Das Team analysierte die Struktur und das elektronische Verhalten des Materials.
Am Anderson-Übergang erreichen Defekte im Kristallgitter genau die Dichte, die für die thermoelektrische Mobilisierung von Elektronen erforderlich ist. © Garmroudi et al./Nature Communications, CC-by 4.0
Andersons Übergang ist entscheidend
Analysen ergaben, dass der sogenannte Anderson-Kontakt entscheidend für die thermoelektrische Effizienz ist. Sie tritt auf, wenn zufällig im Material verteilte Verunreinigungen eine kritische Dichte überschreiten. „Ähnlich wie Eisbänke auf See sind diese zunächst voneinander isoliert und nicht betretbar“, erklärt Garmroudi. „Wenn die Anzahl der Eisbänke jedoch groß genug ist, hat man eine durchgehende Verbindung, mit der man das Meer überqueren kann.“
Übertragen auf ein Material bedeutet dies: Überschreitet beispielsweise die Anzahl der Fremdatome einen kritischen Wert, können sich Elektronen plötzlich frei von einem Atom zum anderen bewegen. Schon kleine Temperaturgradienten reichen aus, um Strom fließen zu lassen. „Die Bedingungen für das ideale Thermoelektrikum liegen am Anderson-Übergang vor, einem Quantenphasenübergang von lokalisierten Elektronenzuständen zu Mobilen“, sagt Garmroudi.
Optimierung durch Hitze und Extinktion
Gleichzeitig zeigten Experimente jedoch, dass der Anderson-Übergang nicht nur durch das Hinzufügen weiterer Fremdatome erreicht werden kann, sondern auch durch einfaches Erhitzen und anschließendes schnelles Abkühlen in einem Wasserbad, die sogenannte Extinktion. „Bei hohen Temperaturen schwingen Atome so stark, dass sie gelegentlich ihre Eifersuchtspositionen tauschen“, erklärt Erstautor Ernst Bauer von der TU Wien. „Zum Beispiel sind Eisenatome dort, wo sie früher Vanadiumatome waren.“
Ähnlich wie zusätzliche Fremdatome sorgen diese hitzeinduzierten unregelmäßigen Defekte für eine höhere Beweglichkeit der Elektronen, ohne dass die chemische Zusammensetzung des Materials verändert werden muss. Das macht die Metallverbindung zu einem äußerst effizienten thermoelektrischen Material, in dem sich Elektronen, wie von der Theorie gefordert, in einem sehr engen Energiebereich bewegen.
Leistungssteigerung von thermoelektrischen Materialien
Messungen ergaben, dass die thermoelektrische Leistung der Metallverbindung abgeschaltet bei 1.380 Grad 7,6 Milliliter pro Kelvin Quadratmeter betrug. „Dies ist eine Steigerung von 30 bis 40 Prozent gegenüber den am besten dotierten Varianten dieses Systems und eine der höchsten thermoelektrischen Ausbeuten, die jemals für einen Festkörper gemeldet wurden“, schreiben die Forscher. Das derzeit beste Wismut-Telium-dotierte System erreicht nur den halben Leistungsfaktor.
„Unsere Arbeit offenbart somit ein neues Paradigma zur Optimierung thermoelektrischer Materialien“, sagen Garmroudi und Kollegen. Dementsprechend können Umlagerungen und Störungen im Kristallgitter, die gezielt durch Wärme erzeugt werden, die thermoelektrische Produktion weiter steigern. Dies ebnet den Weg für effizientere Wärmewandler und eine verbesserte Stromerzeugung aus bisher ungenutzter Wärme. (Nature Communications, 2022; doi: 10.1038 / s41467-022-31159-w)
Quelle: Technische Universität Wien
7. Juli 2022
– Nadja Podbregar