Mehr Strom aus Wärme

Strom aus Wärme gewinnen – bisher war der Wirkungsgrad solcher Anwendungen relativ niedrig. Forscher des MIT haben nun bedeutende Fortschritte in der Thermoelektrizität gemacht. Ähnliche Erfolge gibt es auch in Deutschland.

Den Ansatz den die Forscher verfolgten war es, die Wärmeleitfähigkeit von Materialien zu senken. Denn Energie lässt sich aus Wärme nur dann gewinnen, wenn die Temperaturunterschiede an den Enden eines Leiters möglichst hoch sind. Erst durch dieses Temperaturgefälle fließen die Elektronen und somit der Strom. Problem dieser Anwendungen ist es, dass elektrische Leiter auch Wärme leiten, wodurch der thermoelektrische Effekt schnell dahin ist.

Wie effizient ein Material Wärme in Strom wandelt, wird mit dem ZT-Wert, der thermoelektrischen Effektivität angegeben.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Boston College ist es mit einem neuen Verfahren gelungen, diesen Wert um 40 Prozent auf 1,4 zu steigern (bei 100 °C). Das ist insofern bemerkenswert, da dieser Wert lange Zeit zwischen 0,5 und 1 stagnierte. Das Ausgangsmaterial ist ebenfalls nicht neu. Es handelt sich um ein Gemisch aus Bismut, Antimon und Tellur – ein Material das bereits seit 50 Jahren für thermoelektrische Anwendungen verwendet wird.

Für die Forscher des Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg (IPM) ist dieser Wert nicht überraschend. »Das Ergebnis deckt sich ganz gut mit unserem«, so Dr. Dirk Ebling, stellvertretender Abteilungsleiter Thermoelektrische Systeme am IPM.

Der Unterschied zu der Entwicklung des MIT ist das Verfahren. Die amerikanischen Forscher zerrieben das Ausgangmaterial in einer Mühle bis nur noch ein Staub aus Nanoteilchen übrig blieb. Dieser Staub wurde dann mit einem Heißpressverfahren wieder zusammengebracht. Die winzigen Körnchen wiesen in ihrer neuen Anordnung schlechtere Wärmeleiteigenschaften auf als vorher.

Die Fraunhofer-Forscher verwendeten ein Spark-Plasma-Sintering- Verfahren, bei dem das Ausgangspulver durch Stromimpulse zusammengepresst wurde. Dabei werden weniger hohe Temperaturen erreicht, als beim Heißpressverfahren, wo sie nahe am Schmelzpunkt liegen. Aus diesem Material konnten die Forscher dann Wafer für ihre Tests sägen.

Dass die Forschungsergebnisse nicht nur fürs Labor interessant sind, kann  Dr. Ebling bestätigen. Das Interesse von der Industrie sei da. Auch die MIT-Forscher sind zuversichtlich, da ihr Verfahren nicht teuer sei.