Thermoelektrizität aus Nanoröhrchen

Innovativer Thermostrom: Neuartige Art der Stromerzeugung durch bislang unbekanntes physikalisches Phänomen soll Spektrum der Stromerzeugung und -versorgung erweitern

Hitzewelle im Nanoröhrchen
Hitzewelle im Nanoröhrchen

Cambridge (USA) - Wandert Wärme rapide durch ein winziges Nanoröhrchen, so schiebt sie dabei Elektronen vor sich her wie Treibgut und sorgt so für elektrischen Stromfluss. Dieses bislang unbekannte Phänomen, das das Feld der Stromerzeugung erweitern dürfte, haben seine Entdecker "Thermopower"-Wellen genannt und beschreiben es im Fachblatt "Nature Materials". Die US-Forscher schickten heiße Flammen mit hoher Geschwindigkeit durch Kohlenstoffröhrchen im Nanometer-Maßstab - nur Millionstel Millimeter im Durchmesser. Die Hitzepulse brachten die elektrischen Ladungsträger in Bewegung und erzeugten so Elektrizität. Praktische Anwendungen für das Phänomen seien noch schwer vorherzusagen. Doch könnte es eines Tages für die Stromversorgung ultrakleiner elektronischer Geräte sorgen, etwa von Umweltsensoren in Reiskorngröße oder von medizinischen, im Körper befindlichen Mess- oder Therapiegeräten.

Die Thermopower-Wellen "eröffnen einen neuen Bereich der Energieforschung, was sehr selten vorkommt", erklärt Michael Strano, Professor für chemische Verfahrenstechnik am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Das Team um Strano und Hauptautor Wonjoon Choi, Maschinenbau-Doktorand, hatten Nanoröhrchen mit hochreaktivem Brennstoff beschichtet. An einem Ende entzündete es den Brennstoff - mit einem Laserstrahl oder Hochspannungsfunken, so dass eine thermische Welle von rund 2700 Grad Celsius (3000 Kelvin) durch die Röhrchen schoss, wesentlich schneller als die chemische Reaktion im Brennstoff allein. Der Hitzering läuft laut Strano mit rund zwei Metern pro Sekunde die aufgerollten Kohlenstofflagen entlang und schiebt dabei Elektronen aus dem Wärme und Strom leitenden Material mit sich, so dass ein beachtlicher elektrischer Strom fließt.

Mathematisch sei die Ausbreitung von Verbrennungs- und Explosionswärme seit rund hundert Jahren untersucht, erklärt Strano. Er allerdings habe als erster postuliert, dass sich solche Hitzewellen durch Nanoröhrchen oder -drähte leiten ließen und dabei einen elektrischen Stromfluss erzeugen könnten. Entsprechend hatte sein Team in ersten Experimenten die Brennstoff beschichteten Nanoröhrchen nur verdrahtet und nach Zündung überraschende Spannungsspitzen messen können. Mittlerweile entwickelten die Forscher ihr System soweit, dass es - relativ zu seinem Gewicht - rund hundert mal mehr Energie liefert als eine heutige Lithium-Ionen-Batterie und damit wesentlich mehr als durch die thermoelektrischen Berechnungen vorhergesagt. Strano führt dies nicht auf den so genannten Seebeck-Effekt zurück, der elektrische Potenziale in erhitzten Halbleitermaterialien erklärt. Bei Kohlenstoff ist er allerdings sehr schwach, deshalb hält das Team andere Effekte für verantwortlich: "Wir nennen es Elektronen-Mitnahme, da ein Teil des Stromflusses sich mit der Wellengeschwindigkeit zu verändern scheint", so Strano. Die thermische Welle scheine elektrische Ladungsträger - entweder Elektronen oder Fehlstellen, so genannte Elektronenlöcher - mitzureißen.

Große Arrays entsprechend ausgerüsteter Nanoröhrchen könnten eines Tages elektrische Energie liefern und theoretisch, im Vergleich zu heutigen Batterien, ihre Ladung unendlich lange halten, bis sie angezapft werden. Noch weiter geht der Plan der Forscher, unterschiedliche reaktive Brennstoffe zum Beschichten zu nutzen und damit oszillierende Wellenfronten zu erzeugen: Ein Wechselstrom wäre das Ergebnis. Das wiederum würde ganz neue Möglichkeiten eröffnen, so Strano, und könnte eventuell irgendwann zur Erzeugung von Funkwellen dienen. Allerdings liegt dies noch sehr fern in der Zukunft. Zunächst wollen die Forscher die Effizienz des Systems verbessern, da ein großer Teil der eingesetzten Energie bisher als Licht und Wärme verloren geht.