Mehr Strom aus heißen Abgasen

Autos mit Verbrennungsmotoren verlieren den größten Teil der im Diesel und Benzin gespeicherten Energie in Form von Abwärme. Doch kleine, thermoelektrische Kraftwerke – angebracht an den Auspuffrohren – können diese Wärme teilweise zur Stromgewinnung nutzen und damit die Lichtmaschine entlasten. Erste Prototypen litten bislang unter einem sehr geringen Wirkungsgrad. Doch nun entdeckten Wissenschaftler, dass sich mit Kristallen aus Zinnselenid deutlich mehr Strom aus Abwärme gewinnen ließe als mit bisher untersuchten Materialien. Ihre Ergebnisse, präsentiert in der Fachzeitschrift „Nature“, könnten die Entwicklung von thermoelektrischen Modulen einen großen Schritt voranbringen.

Wärmeleitung in Zinnselenid

Das Prinzip der thermoelektrischen Stromerzeugung ist relativ einfach: Wird ein geeignetes Material an einer Seite aufgeheizt, während die andere Seite kühl bleibt, können wandernde Elektronen diese Temperaturdifferenz ausgleichen. Die Folge: Es fließt ein elektrischer Strom, verursacht durch den sogenannten Seebeck-Effekt. Je schlechter der Wärmetransport über andere Wege – etwa durch Schwingungen im Kristallgitter – abläuft, desto eher geraten die Elektronen in Bewegung. Aus diesem Grund wählten die Forscher einen besonders schlechten Wärmeleiter für ihr Experiment: Kristalle aus Zinnselenid.

Als sie die Kristalle an einem Ende auf 550 Grad Celsius aufheizten, setzten sich darin mehr Elektronen in Bewegung als jemals zuvor in einem thermoelektrischen Material aus gezüchteten Kristallen. Um diese Eigenschaft mit konkreten Zahlen greifen zu können, nutzen Physiker den sogenannten ZT-Wert, der die Effizienz der Umwandlung von Wärme in Strom beschreibt. Nanostrukturierte Kristalle aus Bleitellurid, die Mercouri Kanatzidis von der Northwestern University in Evanston vor etwa zwei Jahren züchten konnte, erreichten schon einen hohen ZT-Wert von 2,2. Diesen übertrumpfte Zinnselenid nun mit einem ZT-Wert von 2,6 deutlich. Mit solch hohen ZT-Werten könnten bis zu 20 Prozent der in der Abwärme verfügbaren Energie in elektrischen Strom umgewandelt werden, erklärt der Forscher: „Die notwendige Hitze findet man etwa in den Abgasrohren von Kohle- und Gaskraftwerken, in Raffinerien oder im Autoauspuff.“

Den Grund für den überraschend hohen ZT-Wert sieht Kanatzidis in der besonderen Schichtstruktur der Zinnselenidkristalle. Diese verhindert, dass sich Schwingungen in aufgeheizten Kristallen gut ausbreiten können. Um trotzdem eine vorherrschende Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten eines Kristalls ausgleichen zu können, bleibt so fast nur der Weg über die wandernden Elektronen. Der hohe ZT-Wert trat allerdings nur entlang einer Raumachse innerhalb des Kristalls auf. Wurde der Kristall um 90 Grad gedreht, sank der ZT-Wert auf nur noch 0,8 ab.

Doch dieses Problem hält Kanatzidis für durchaus lösbar. „Man muss einzelne Kristallschichten auf größere Kristalle aus Zinntellurid wachsen lassen“, sagt der Forscher. Für andere thermoelektrische Materialien etwa aus Bleitellurid sei das auch schon geglückt. Gelingt dieser Schritt auch für Zinnselenid, könnte schon bald mit einem ersten thermoelektrischen Minikraftwerk für weitere Effizienzversuche gerechnet werden.