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Thermoelektrische Generatoren

Energy Harvesting wird IoT-tauglich

25. Januar 2021, 14:00 Uhr   |  Ute Häußler

Energy Harvesting wird IoT-tauglich
© Andres Rösch, KIT

Durch neu entwickelte Tinten und spezielle Produktionstechniken, wie die Origami-Technik, lassen sich kostengünstig thermoelektrische Generatoren für verschiedenste Anwendungen herstellen.

Thermoelektrische Generatoren geben Sensoren und IoT-Geräten eine wartungsfreie, umweltfreundliche sowie autarke Stromversorgung und können Abwärme rückgewinnen. Forschende des KIT Karlsruhe entwickelten ein neues Druckverfahren für kostengünstige, dreidimensionale thermoelektrische Generatoren.

Thermoelektrische Generatoren können thermische direkt in elektrische Energie umwandeln. Diese Technologie erlaubt es, energieautarke Sensoren für das Internet der Dinge oder in Wearables, wie Smartwatches, Fitnessarmbänder oder digitale Brillen, ohne Batterien zu betreiben. Weiterhin könnten sie in der Rückgewinnung von Abwärme in der Industrie und in Heizsystemen oder der Geothermie eingesetzt werden.

Neue Druckverfahren dank maßgeschneiderter Tinten

Konventionelle TEGs müssen durch relativ aufwendige Fertigungsverfahren aus Einzelteilen zusammengestellt werden. Um dies zu umgehen, haben die KIT-Wissenschaftler:innen neuartige druckbare Materialien erforscht und neben zwei innovativen Verfahren sowohl organische als auch auf anorganischen Nanopartikeln basierende Tinten entwickelt. Mit diesen ließen sich kostengünstige, dreidimensionale gedruckte TEGs herstellen.

Beim ersten Verfahren wird mittels Siebdruck auf einer hauchdünnen flexiblen Substratfolie ein 2D-Muster aus thermoelektrischen Drucktinten aufgetragen und anschließend mit einer Origami-Technik ein etwa zuckerwürfelgroßer, quaderförmiger Generator zusammengefaltet. Diese Methode haben die Forscher:innen des KIT gemeinsam mit dem InnovationLab in Heidelberg und einem KIT-Spin-Off-entwickelt. Bei dem zweiten Verfahren drucken die Forschenden zuerst ein 3D-Grundgerüst, auf dessen Oberflächen sie dann die thermoelektrische Tinte auftragen.

Kostenersparnis durch Drucktechnologien

Hochskalierbare Herstellungsprozesse wie das Drucken in einem Rolle-zu-Rolle-Siebdruck oder in moderner additiver Fertigung (3D-Druck) seien daher Schlüsseltechnologien, ist das KIT-Team überzeugt. Die neuen Herstellungsverfahren sollen nicht nur eine kostengünstige und skalierbare Produktion der TEGs erlauben, durch die Drucktechnologien lässt sich das Bauteil individuell an die jeweiligen Anwendungen anpassen. Das KIT will die gedruckte Thermoelektrik kommerziell schnell verfügbar machen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), der Graduiertenschule MERAGEM sowie die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) haben die Forschung innerhalb des Exzellenzclusters 3DMM2O unterstützt.


Originalpublikation:
Andres Georg Rösch, André Gall, Silas Aslan, Matthias Hecht, Leonard Franke, Md. Mofasser Mallick, Lara Penth, Daniel Bahro, Daniel Friderich, and Ulrich Lemmer: Fully printed origami thermoelectric generators for energy-harvesting. npj Flex Electron 5, 1  (2021). https://doi.org/10.1038/s41528-020-00098-1

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