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Thermoelektrika Abwärme besser nutzen

Materialien, die Wärme effizient in Strom umwandeln, lagen bislang in weiter Ferne. Dank eingelagerter Nanopartikeln rückt die Wirtschaftlichkeit der Thermoelektrika in greifbare Nähe.

© Mercouri Kanatzidis Vergrößern Gütewert 2,2: Weltrekordhalter unter den Thermoelektrika

Kraftwerke und Automobile sind schlechte Energieverwerter. Sie nutzen nur etwa ein Drittel der zugeführten Energie, der Rest geht als Abwärme verloren. Deshalb gibt es intensive Bestrebungen, diese ungenutzte Wärmeenergie in irgendeiner Weise quasi aufzufangen. Gelingen kann das mit Hilfe sogenannter Thermoelektrika. Diese Substanzen können Wärme in elektrische Energie umwandeln, geräuschlos und emissionsfrei. Allerdings waren die Wirkungsgrade bei diesem Prozess bislang so gering, dass er nur in wenigen Anwendungen genutzt wurde, zum Beispiel bei Weltraummissionen.

Rentabilitätsschwelle überwunden

Amerikanische Forscher beschreiben nun in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 489, S. 414)  einen Weg, den Gütewert - der ein Maß für die Effizienz der Energieumwandlung ist - von Bleitellurid deutlich zu steigern auf einen Wert von 2,2. Damit rückt das Ziel, die Abwärme von Autos und Verbrennungsschloten zu nutzen, in greifbare Nähe. Denn als Rentabilitätsschwelle für den wirtschaftlichen Einsatz von Thermoelektrika gilt ein Gütewert von 2.

Widersprüchliche Eigenschaften

Thermoelektrika sind Halbleiter. Ist ein solches Material auf der einen Seite wärmer als auf der anderen, beginnen die Elektronen von der heißen zur kalten Seite zu wandern. Es fließt also ein elektrischer Strom, der sich nutzen lässt. Dieses Temperaturgefälle muss nicht groß sein. So nutzen beispielsweise thermoelektrische Uhren den Wärmeunterschied zwischen Körpertemperatur und der Umgebungstemperatur. Allerdings bricht der Stromfluss zusammen, wenn zwischen beiden Seiten ein Temperaturausgleich stattfindet. Gute Thermoelektrika sind also gleichzeitig Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und schlechter Wärmeleitfähigkeit.

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Mercouri Kanatzidis von der Northwestern University in Evanston und seinen Mitarbeitern gelang es, diese an sich widersprüchlichen Forderungen in einem Material zu vereinigen. Sie dotierten das Halbleitermaterial Bleitellurid mit Nanopartikeln aus Strontiumtellurid und einer kleinen Menge Natrium. Das Material wurde zu Pulver zerkleinert und in einem speziellen Verfahren erhitzt und zusammengepresst. Messungen an den erhaltenen Proben zeigten, dass die Substanz bei einer Temperatur von 915 Kelvin einen Gütewert von 2,2 erreicht.

Nanopartikeln verbessern den Gütewert

Für den hohen Gütewert des Werkstoffs machen die Forscher mehrere Effekte verantwortlich. Zum einen ist die innere Struktur des Materials so beschaffen, dass sich Wärme nicht gut ausbreiten kann. Der Wärmetransport erfolgt über Gitterschwingungen, sogenannte Phononen, deren Streuung in dem dotierten Bleitellurid unter anderem durch die eingelagerten Nanopartikel aus Strontiumtellurid erfolgreich unterdrückt wird. Zum anderen verbessern die Natrium-Atome die elektrische Leitfähigkeit des Materials, da sie zusätzliche Ladungsträger bereitstellen.

Der Wettlauf hat begonnen

Schon bei den ersten Apollo-Missionen wurde Bleitellurid für thermoelektrische Generatoren verwendet. Es hatte allerdings nur einen Gütewert von 1,1. Der Wert konnte nun also durch gezielte Strukturierung und Dotierung verdoppelt werden und zeigt einen Weg zu leistungsfähigen Thermoelektrika auf. Der Wettlauf zu hohen Gütewerten ist in vollem Gange. Gut möglich, dass schon bald in Auspuffrohren und Schornsteinen thermoelektrische Generatoren hängen werden. Schätzungen gehen davon aus, dass ein Fahrzeug, das aus seiner Abwärme Energie etwa zum Betrieb der Bordelektronik gewinnt, fünf bis sieben Prozent weniger Kraftstoff verbraucht.

Quelle: F.A.Z.

 
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