Eine Wärmekraftmaschine aus kalten Atomen

Thermoelektrische Materialien besitzen die Eigenschaft, bei Erwärmung einen schwachen elektrischen Strom zu erzeugen. Diesen Strom auf ein Maß zu verstärken, das für moderne Technologien benötigt wird, stellt für die Wissenschaftler noch immer eine Herausforderung dar. Nun könnte ein neuartiger Ansatz dabei helfen, hocheffiziente thermoelektrische Materialien zu entwickeln: Einem internationalen Forscherteam um Jean-Philippe Brantut von der ETH Zürich ist es gelungen, das Verhalten solcher Materialien in einem Modellexperiment mit ultrakalten, von Lasern eingefangenen Atomen nachzustellen. Die Ergebnisse ihrer Zusammenarbeit stellt die Gruppe aus Experimentatoren und theoretischen Physikern nun in der Fachzeitschrift Science vor.

Die Idee des Experiments besteht darin, ein Gas aus Lithiumatomen, das sich in einer gläsernen Vakuumkammer befindet, per Laser auf sehr niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt herunterzukühlen. Unter diesen Bedingungen verhalten sich die Atome wie Elektronen in einem Festkörper. Mit grünen Laserstrahlen wird dann eine räumliche Struktur geschaffen, in der sich die Atome so bewegen können wie die Elektronen im Festkörper. Insbesondere wird das Lithiumgas in zwei durch einen Kanal verbundene Teilchenreservoirs unterteilt, von denen eines erwärmt wird. Auf diese Weise kann im Modellversuch Thermoelektrizität simuliert werden. Mit dem Gelingen ihres Experiments hatten die Forscher nicht sofort gerechnet: „Mit einfachen Mitteln stellen wir Thermoelektrizität nach, die ebenso leistungsfähig ist wie in natürlichen Materialien“, erklärt Koautor Tilman Esslinger von der ETH Zürich. „Das war eine große Überraschung.“

Eine flache, kantige Glaszelle mit gefangenen Atomen, hell erleuchtet von grünem Laserlicht.
Glaszelle mit gefangenen Atomen

In den nächsten zwei Jahren wird das Team versuchen, das Ursprungsexperiment weiterzuentwickeln, um komplexere Systeme zu studieren. Mit den neuen Erkenntnissen können die der Thermoelektrizität zugrunde liegenden Prozesse auf kontrollierte Art erforscht werden. Damit könnten künftig natürliche Stoffe nachgebildet und neue Materialien mit thermoelektrischen Eigenschaften entwickelt werden.

Derzeit werden thermoelektrische Materialien hauptsächlich zum Antrieb von Raumsonden wie dem Mars-Rover Curiosity oder für kleine, energieautarke Sensoren eingesetzt. Denkbar wäre aber auch eine breitere Palette an Anwendungen, insbesondere dort, wo Wärme ungenutzt verloren geht. So testen Automobilfirmen bereits verschiedene Systeme, um Energie aus Abgasen zurückzugewinnen. Weitere Anwendungen könnten mit Körperwärme betriebene Mobiltelefone oder Uhren sein.