Bisher musste zur Herstellung von Generatoren, die aus Wärme Strom erzeugen, eines der seltensten Elemente der Erde verwendet werden: Tellur. Dass es auch anders geht und man solche Generatoren aus nachhaltigeren Materialien fertigen kann, hat Professorin Dr. Gabi Schierning von der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld nun mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung IFW Dresden, der University of Houston (USA) und dem Harbin Institute of Technology (China) gezeigt. Alle Materialien basieren auf besser verfügbaren Elementen wie Magnesium und Antimon.
“Alternativen zu Tellur zu finden, ist sehr wichtig für die Anwendbarkeit der Thermoelektronik“, sagt Professorin Dr. Gabi Schierning. Sie erforscht in der Arbeitsgruppe “Dünne Schichten und Physik der Nanostrukturen” thermoelektrische Materialien und Bauelemente. Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärme – in erster Linie Abwärme, die bei der Energieerzeugung an die Umgebung abgegeben wird – in elektrische Energie um. Dabei haben Ladungsträger bei hohen Temperaturen eine größere thermische Geschwindigkeit als bei niedrigen. Bei einem Temperaturunterschied in den thermoelektrischen Materialien wandern die Ladungsträger von wärmeren in kältere Bereiche. Dadurch erzeugen sie eine nutzbare elektrische Spannung.
Die Technologie könnte eingesetzt werden, um Abwärme zum Teil wieder nutzbar zu machen, sagt Schoerning. “Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe geht ein großer Teil der erzeugten Energie als Abwärme verloren”, erklärt die Physikerin. “Indem aus der Abwärme wieder Elektrizität generiert wird, ließe sich zum Beispiel der Ausstoß von Treibhausgasen verringern.“
Bauelemente basieren auf Magnesium und Antimon
Abwärme ist im Allgemeinen bis etwa 250 Grad Celsius heiß. In diesem Bereich wandeln Module aus Tellur-basierten Materialen Wärme effizient in elektrischen Strom um. “Das Ziel ist, Materialien zu finden, die ähnlich effizient sind, aber häufiger in der Erdkruste vorkommen und damit kostengünstiger sind – dadurch steigt die Chance, dass die Technologie marktfähig wird“, sagt Schierning. Sie und ihre Kollegen haben für ihre Studie chemische Verbindungen verwendet, die auf den Elementen Magnesium und Antimon basieren. “Dass solche Verbindungen geeignete Materialien für die Thermoelektronik sind, war schon einige Zeit bekannt. Bisher konnte aber nicht gezeigt werden, dass sich aus ihnen auch funktionierende thermoelektrische Bauelemente herstellen lassen. Das ist uns nun gelungen.“
Bei ihren Studien haben die Forscher zunächst die thermoelektrischen Materialien synthetisiert. Dazu mussten sie alle Bestandteile zu einem feinen Pulver vermahlen und unter Hitze verdichten. Anschließend wurde aus diesen Materialien das Modul angefertigt. Hierfür haben Dr. Pingjun Ying und Dr. Ran He vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung IFW Dresden sowohl die Synthese der Materialien als auch den Aufbau so optimiert, “dass das Bauelement möglichst effizient elektrische Energie generieren kann, was zum Beispiel von der Schichtung des Materials oder der geometrischen Struktur des Moduls abhängt”, erklären sie. Das Ergebnis der Untersuchungen war, dass die Magnesium-basierten Bauelemente genauso effizient waren wie die auf Tellur basierenden.
Die Forscher haben die Ergebnisse ihrer Arbeit im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.
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