Mehr Strom direkt aus Hitze

Shanghai (China)/Pasadena (USA) – Abwärme von Autoabgasen bietet ein viel versprechendes Potenzial zur Gewinnung von Strom, wie Laborversuche mit ersten Modulen bereits zeigten. Diese Prototypen basieren auf thermoelektrischen Materialien, die auf der Basis des Seebeck-Effekts aus Temperaturdifferenzen elektrische Spannungen erzeugen. Die Ausbeute könnte mit neuartigen Kristallen, in denen sich Metallionen wie eine Flüssigkeit verhalten, noch gesteigert werden. Über diesen neuen Ansatz für thermoelektrische Kraftwerke berichtet ein internationales Forscherteam in der Fachzeitschrift „Nature Materials“.

Mikroskopbild, dunkelgrau geriffelte Fläche an der Grenze zu einer helleren Fläche.
Kristallstruktur von Dikupferselenid

„Unsere Ergebnisse weisen auf eine neue Strategie für hoch effiziente thermoelektrische Materialien hin“, schreiben Xun Shi vom Shanghai Institute of Ceramics und seine Kollegen aus mehreren US-Forschungszentren. Für ihre Versuche wählten sie einen kristallinen Halbleiter aus den Elementen Kupfer und Selen. Wird nur eine Seite dieses Werkstoffs aufgeheizt und die andere kalt gelassen, kommt es zu einer ausgleichenden Bewegung von Ladungsträgern. Als Folge dieses sogenannten Seebeck-Effekts entsteht eine nutzbare elektrische Spannung. Je größer der Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten ist, desto größer auch die Stromausbeute.

Bisher leiten solche thermoelektrischen Materialien aber auch Wärme ziemlich gut. Dadurch nimmt die Temperaturdifferenz rasch ab und die Stromausbeute sinkt. Genau diese unerwünschte Nebenwirkung ließ sich nun durch den speziellen kristallinen Aufbau des neuen Werkstoffs verhindern. Die untersuchten Proben zeigten sehr geringe Wärmeleitfähigkeiten, die für solche kristallinen Werkstoffe sehr ungewöhnlich sind. Verantwortlich dafür machten Shi und Kollegen Kupfer-Ionen, die sich wie eine Flüssigkeit verhielten und so nicht zum Wärmetransport über Schwingungen im Kristallgitter beitragen konnten.

Noch befinden sich diese thermoelektrischen Module in einer frühen Entwicklungsphase. Doch sie eröffnen einen viel versprechenden Weg, um aus Abwärme mehr Strom als bisher erzeugen zu können. So könnten schon bald kleine thermoelektrische Kraftwerke an einem Autoauspuff genug Strom erzeugen, um die Drehmaschine entlasten und den Verbrauch eines Fahrzeug um bis zu zehn Prozent oder mehr senken zu können.