14.11.2019 10:24 |

Leistung verdoppelt

Weltrekord-Material macht aus Wärme Elektrizität

1821 entdeckte der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck den nach ihm benannten thermoelektrischen Effekt. Dieser ist dafür verantwortlich, dass bestimmte Stoffe Temperaturunterschiede direkt in elektrische Energie umwandeln können. Wiener Physiker haben nun ein neues Material entwickelt, das mit bisher unerreichter Leistungsfähigkeit Wärme in Elektrizität verwandelt. Damit können sich Sensoren und kleine Prozessoren kabellos selbst mit Energie versorgen.

Ein gutes thermoelektrisches Material zeichnet sich nicht nur durch einen großen Seebeck-Effekt aus. Es muss auch zwei nur schwer miteinander vereinbare Anforderungen erfüllen: „Einerseits soll es elektrischen Strom möglichst gut leiten, andererseits soll aber Wärme möglichst schlecht transportiert werden“, erklärte Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien in einer Aussendung.

Bisherige Leistungsfähigkeit verdoppelt
Die Leistung eines thermoelektrischen Materials wird mit der sogenannten thermoelektrischen Gütezahl (ZT) ausgedrückt - je höher der Wert, desto besser seine thermoelektrischen Eigenschaften. Die besten Thermoelektrika kamen laut TU Wien bisher auf ZT-Werte von 2,5 bis 2,8. Die Forscher um Bauer, der seit 2013 auch das Christian Doppler-Labor für Thermoelektrizität leitet, gelang es in mehrjähriger Arbeit, ein neues Material mit einem ZT-Wert von 5 bis 6 zu entwickeln - also einer doppelt so hohen Leistungsfähigkeit.

In dem Material werden Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium kombiniert. Diese Mischung wird als dünne Schicht auf Silizium aufgetragen. Dadurch ändert sich die Struktur des Materials radikal, mit der Konsequenz eines sehr geringen elektrischen Widerstands und einer geringen Wärmeleitfähigkeit - also ideale Eigenschaften eines thermoelektrischen Materials. Die beste Leistungsfähigkeit erzielt das Material laut Bauer bei einer Temperatur von rund 100 Grad Celsius. Für diesen Temperaturbereich gab es zwar schon seit den 1960er-Jahren Thermoelektrika, diese enthielten jedoch Tellur, das sehr selten und auch giftig ist.

Kompakt und anpassungsfähig
Den Forschern ist bewusst, dass eine so dünne Schicht keine großen Energiemengen generieren kann, „aber dafür ist sie extrem kompakt und anpassungsfähig“, so Bauer. Genutzt werden könnte das Material künftig etwa, um Sensoren oder kleine elektronische Anwendungen ohne aufwändige Verkabelung mit Strom zu versorgen.

Drahtlose Messtechnik
Konkret haben die Wissenschaftler gemeinsam mit dem Unternehmenspartner des CD-Labors, der AVL List in Graz, mit dem Material als Energiequelle neue drahtlose Messtechnik entwickelt, die etwa in Motorenprüfständen eingesetzt wird. Das Material soll dabei auf der heißen Motorenoberfläche Elektrizität liefern, um Sensoren mit Datenverarbeitung und Funkkommunikation zu betreiben, die die Messergebnisse drahtlos an einen Computer senden. Dafür wurden bereits zwei Patente eingereicht.

Auch beim „Internet of Things“, wo eine Vielzahl an Anwendungen, Sensoren und Geräte miteinander verknüpft sind und ihr Verhalten aufeinander abstimmen, sind solche Lösungen gefragt.

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