Gepresstes Nanopulver wandelt effizient Wärme in Strom

Um 40 Prozent lässt sich der thermoelektrischen Effekt durch Nanotechnologie steigern.

Cambridge (USA)/Chestnut Hill (USA) - Sonnenlicht, Wind, Kohle: Aus vielen Quellen kann elektrischer Strom erzeugt werden. Elegant und zugleich umweltfreundlich klappt das auch mit thermoelektrischen Materialien. Allein ein Temperaturunterschied von einigen zehn Grad reicht aus, um Elektronen zum Wandern zu bringen und einen Stromfluss zu erzeugen. Bisher ist die Effizienz dieser thermoelektrischen Module allerdings zu klein für eine wirtschaftliche Umwandlung, beispielsweise von Kraftwerksabwärme. Doch mit einem gepressten Nanopulver konnten nun amerikanische Physiker den thermoelektrischen Effekt um 40 Prozent steigern, so ihr Bericht in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift "Science".

"Mit Nanotechnologie konnten wir ein bekanntes Material deutlich verbessern", sagt Zhifeng Ren vom Boston College in Chestnut Hill. Gemeinsam mit Physikern vom Massachusetts Institute of Technology verwendeten sie die Legierung Wismutantimontellurid, das als Festkörper bereits über den Seebeck-Effekt Wärme in Strom umwandeln kann. Für die Effizienzsteigerung zerkleinerten sie diesen Werkstoff in wenige zehn Nanometer feine Kristalle. Dieses Nanopulver pressten sie danach zu einigen Zentimeter großen Blöcken.

Der Schlüssel zum Erfolg lag vor allem im Unterdrücken der Wärmeleitfähigkeit. Wird eine Seite des Werkstücks aufgeheizt, wandern Elektronen vom heißen zum kalten Ende. Es fließt ein nutzbarer Strom. Parallel gleicht sich in herkömmlichen thermoelektrischen Modulen der Temperaturunterschied durch eine von Gitterschwingungen, den Phononen, unterstützte Wärmeleitfähigkeit relativ schnell aus und der Elektronenstrom bricht ab. In dem neuen Material hingegen behindert der nanostrukturierte Aufbau durch eine verstärkte Streuung der Phononen den Wärmetransport. Die Folge: Der Temperaturunterschied bleibt länger erhalten und die immer noch beweglichen Elektronen können so weiterhin durch das Material wandern.

So viel versprechend dieses Ergebnis klingen mag, bis zu wirtschaftlichen Generatoren, die aus Kraftwerksabwärme direkt Strom erzeugen ist es noch ein weiter Weg. Aber erste Anwendungen in der Raumfahrt zeigen, dass diese Art der Stromerzeugung durchaus Potenzial hat. "Unsere Methode ist kostengünstig und eignet sich für die Massenproduktion", betont Physiker Ren einen weiteren Vorteil.

Auch andere Materialien nutzen die Phononen-Blockade für eine Steigerung des thermoelektrischen Effekts. Erst im Januar hatten Physiker von der University of California in Berkeley berichtet, dass sie mit Nanodrähten aus Silizium eine effiziente Phononen-Hemmung erreicht hatten. "Die gezielte Gestaltung der Phonon-Hemmung könnte ein neues Werkzeug werden, um thermoelektrische Materialien zu verbessern", beurteilte Cronin B. Vining von der Entwicklungsfirma ZT Services in Auburn diesen Ansatz. Gelingen in Zukunft noch weitere Steigerungen des thermoelektrischen Effekts, locken effiziente Module für die direkte Stromgewinnung aus der Abwärme von Kraftwerken. Ganz optimistisch denken einige Wissenschaftler bereits daran, mit Thermoelementen die Wärme der Sonnenstrahlung zu nutzen, um eine Alternative zu photovoltaischen Zellen zu erhalten