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Neuer Weg zur Stromgewinnung aus Wärme

Forscher identifizieren Grundlage für eine optimale thermoelektrische Umwandlung

Thermoelektrischer Generator
Ein thermoelektrischer Generator kann Wärme direkt in elektrischen Strom umwandeln – ohne Umweg über Turbine und Generator. © TU Wien

Energie aus Abwärme: Forscher haben eine besonders effiziente Art von thermoelektrischen Materialien entdeckt – Feststoffen, die Wärme direkt in elektrische Spannung umwandeln können. Anders als bei gängigen Ansätzen verändert dabei kurzes, starkes Erhitzen die Atomstruktur einer Metallverbindung aus Eisen, Vanadium und Aluminium so, dass Elektronen beweglich werden. Nach Überschreiten dieser Schwelle reichen schon geringe Temperaturunterschiede im Material aus, um eine Spannung zu erzeugen.

In den meisten Kraftwerken wird Wärme durch Turbinen in elektrischen Strom umgewandelt, wobei ein großer Teil der Energie verloren geht. Doch es geht auch direkter – durch thermoelektrische Materialien. In ihnen sorgt der sogenannte Seeberg-Effekt dafür, dass schon geringe Temperaturunterschiede innerhalb des Materials Elektronen in Bewegung versetzen und ein Strom fließt. Dadurch reicht schon eine dünne Materialschicht aus, um beispielsweise die Abwärme von Maschinen oder unsere eigene Körperwärme in Strom umzuwandeln.

Fokus auf den Elektronen

Die thermoelektrische Umwandlung ist dann besonders effizient, wenn das Material eine hohe elektrische, aber geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Doch Materialien mit diesen Eigenschaften zu finden, ist nicht einfach. Bisher versucht man dies meist durch gezieltes Einschleusen von Fremdatomen in Halbleiter-Materialien und das Verringern der Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. „Den elektrischen Teil der Gleichung zu steigern, ist dagegen eine weit schwierigere, aber nötige Aufgabe“, erklären Fabian Garmroudi von der Technischen Universität Wien und seine Kollegen.

Der Theorie zufolge dürfen sich die leitfähigen Elektronen im Material dafür nur in einem sehr engen Energiebereich bewegen. Was dies in der Praxis bedeutet und wie dies in einem Material erreicht werden kann, haben nun Garmroudi und sein Team nun untersucht. Dafür führten sie Experimente mit einer Metalllegierung aus Eisen, Vanadium und Aluminium (Fe2VAl) durch, die sie kurzzeitig auf verschiedene Temperaturen von bis zu 1.380 Grad erhitzten und dann schnell im Wasserbad abkühlten. Das Team analysierte dabei Struktur und Elektronenverhalten des Materials.

Anderson-Übergang
Am Anderson-Übergang erreichen Defekte im Kristallgitter genau die Dichte, die für die thermoelektrische Mobilisierung der Elektronen nötig ist. © Garmroudi et al./ Nature Communications, CC-by 4.0

Anderson-Übergang entscheidend

Die Analysen enthüllten, dass der sogenannte Anderson-Übergang für die thermoelektrische Effektivität entscheidend ist. Er ereignet sich, 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“, erklärt Garmroudi. „Wenn jedoch die Anzahl der Eisschollen groß genug ist, hat man eine durchgehende Verbindung, über die man das Meer überqueren kann.“

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Auf ein Material übertragen bedeutet dies: Überschreitet beispielsweise die Anzahl der Fremdatome einen kritischen Wert, können sich die Elektronen plötzlich frei von einem Atom zum anderen bewegen. Schon geringe Temperaturgradienten reichen dann aus, um den Strom fließen zu lassen. „Am Anderson-Übergang, einem Quantenphasenübergang von lokalisierten zu beweglichen Elektronenzuständen, sind die Bedingungen für das ideale Thermoelektrikum gegeben“, sagt Garmroudi.

Optimierung durch Hitze und Quenching

Gleichzeitig jedoch demonstrierten die Experimente, dass der Anderson-Übergang nicht nur durch eine vermehrte Zugabe von Fremdatomen erreicht werden kann, sondern auch durch bloßes Erhitzen mit anschließender schneller Abkühlung im Wasserbad, dem sogenannte Quenchen. „Bei hohen Temperaturen schwingen die Atome so stark, dass sie gelegentlich ihre Gitterplätze vertauschen“, erklärt Seniorautor Ernst Bauer von der TU Wien. „Beispielsweise befinden sich Eisen-Atome dann dort, wo vorher Vanadium-Atome gewesen sind.“

Ähnlich wie zusätzliche Fremdatome sorgen diese unregelmäßigen, hitzebedingten Defekte für eine erhöhte Beweglichkeit der Elektronen – ohne dass die chemische Zusammensetzung des Materials dafür verändert werden muss. Die Metallverbindung wird dadurch zu einem extrem effizienten thermoelektrischen Material, in dem sich die Elektronen – wie von der Theorie gefordert – in einem sehr engen Energiebereich bewegen.

Leistungsschub für thermoelektrische Materialien

Messungen ergaben, dass die thermoelektrische Leistung der bei 1.380 Grad gequenchten Metallverbindung bei 7,6 Milliwatt pro Meter und Quadratkelvin lag. „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“, schreiben die Forscher. Zurzeit erreiche das beste n-dotierte Wismut-Tellur-System nur einen halb so großen Leistungsfaktor.

„Unsere Arbeit enthüllt damit ein neues Paradigma zur Optimierung thermoelektrischer Materialien“, konstatieren Garmroudi und seine Kollegen. Demnach können die durch Hitze gezielt erzeugten Umlagerungen und Unordnungen im Kristallgitter die thermoelektrische Leistung zusätzlich erhöhen. Damit ebnet dies den Weg zu effizienteren Wärmewandlern und einer verbesserten Gewinnung von Strom aus bisher ungenutzt verpuffender Wärme. (Nature Communications, 2022; doi: 10.1038/s41467-022-31159-w)

Quelle: Technische Universität Wien

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