Ein Forschungsteam am NIST unter der Leitung von Kris Bertness erforscht eine neuartige Methode zur Umwandlung von Wärme in Elektrizität und hat dafür ein Gerät entwickelt. Sobald diese Technologie ausgereift ist, könnte sie Wärme in Elektrizität umwandeln, die sonst verschwendet würde. Die Forschung basiert auf der Entdeckung des deutschen Physikers Thomas Seebeck. Das Team hat auch die Entdeckung von Mahmoud Hussein in seine Studie zur thermoelektrischen Umwandlung einbezogen.
Forscher des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST) haben ein neuartiges Gerät entwickelt, das – im Idealfall – Wärme erfolgreich in Strom umwandeln könnte. Diese Technologie birgt das Potenzial, die in den USA verschwendete Wärmeenergie zurückzugewinnen , deren Wert auf schätzungsweise 100 Milliarden US-Dollar pro Jahr beziffert wird.
Kris Bertness , Forscherin am NIST, und ihr Team entwickelten dieses Verfahren. Dabei werden Tausende mikroskopisch kleiner Galliumnitrid-Säulen auf einen Siliziumwafer aufgebracht. Anschließend wird das Silizium Schicht für Schicht von der Unterseite des Wafers abgelöst, bis nur noch eine dünne Schicht übrig bleibt. Durch die Wechselwirkung zwischen den Säulen und der Siliziumschicht, die den Wärmetransport im Material verlangsamt , kann mehr Wärme in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Sobald das Herstellungsverfahren so weit entwickelt ist, dass die Wärmeemissionen in Strom umgewandelt werden, könnten die Siliziumplatten um Dampf- oder Abgasrohre gewickelt werden. Dieser könnte zur Stromversorgung benachbarter Geräte oder zur Einspeisung ins Stromnetz genutzt werden. Auch die Kühlung von Computerchips wäre eine mögliche Anwendung.
Der deutsche Physiker Thomas Seebeck beobachtete als Erster ein ungewöhnliches Verhalten, das die Grundlage für die Studie des NIST und der Universität von Colorado bildete. Anfang der 1820er-Jahre untersuchte Seebeck eine Schleife aus zwei Metalldrähten unterschiedlicher Zusammensetzung, die an beiden Enden miteinander verbunden waren. Er stellte fest, dass sich die Nadel eines nahegelegenen Kompasses ablenkte, sobald sich die Temperaturen der beiden Verbindungsstellen der Drähte änderten.
Andere Forscher fanden heraus, dass der Temperaturunterschied zwischen den beiden Bereichen eine Spannung erzeugte , die zu einem Stromfluss führte und die Ablenkung verursachte. Das durch den Strom erzeugte Magnetfeld bewirkte die Umlenkung der Kompassnadel.
Der Seebeck-Effekt , der Wärme in Elektrizität umwandeln soll, wäre theoretisch die beste Methode, um ansonsten ungenutzte Wärmeenergie wiederzuverwenden. Doch es gab ein erhebliches Hindernis.
Um einen Temperaturunterschied aufrechtzuerhalten, muss ein Material eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um eine ausreichende Menge an elektrischer Energie zu erzeugen. Die meisten Materialien weisen jedoch sowohl eine elektrische als auch eine Wärmeleitfähigkeit auf; ein schlechter elektrischer Leiter weist auch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf und umgekehrt.
Mahmoud Hussein von der Universität Colorado entdeckte im Rahmen seiner Forschung zur Physik der thermoelektrischen Umwandlung, dass sich diese Eigenschaften in einer dünnen, mit Nanopillaren bedeckten Membran – stehenden Säulen aus Material, die nicht länger als wenige Millionstel Meter oder etwa ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares sind – trennen lassen. Seine Entdeckung inspirierte das Team und Bertness zur Weiterentwicklung dieser Technologie.
Mithilfe der Nanostrukturen gelang es Bertness, Hussein und ihren Kollegen, die Wärmeleitfähigkeit der Siliziumfolie von ihrer elektrischen Leitfähigkeit zu entkoppeln . Dies ist ein Novum für ein Material und ein bedeutender Schritt hin zu einer effizienten Umwandlung von Wärme in Elektrizität.
Ohne die elektrische Leitfähigkeit zu beeinträchtigen oder den Seebeck-Effekt zu verändern, gelang es den Forschern, die Wärmeleitfähigkeit der Siliziumplatte um 21 Prozent zu reduzieren.
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Atome sind durch Bindungen miteinander verbunden und können sich nicht frei bewegen, um Wärme in Silizium und anderen Materialien zu leiten. Daher manifestiert sich die Bewegung der Wärmeenergie in bewegten Phononen, den kollektiven Schwingungen der Atome. Sowohl die Siliziumschicht als auch die Galliumnitrid-Nanosäulen tragen Phononen; die Phononen innerhalb der Nanosäulen sind jedoch stehende Wellen, die an beiden Enden durch die Wände der winzigen Säulen stationär gehalten werden.
Diese Wechselwirkung zwischen Phononen und Schwingungen verlangsamt die Ausbreitung der Phononen und erschwert so den Wärmetransport durch das Material. Dadurch verringert sich die Wärmeleitfähigkeit, und die Temperaturdifferenz zwischen den Enden des Materials vergrößert sich. Die elektrische Leitfähigkeit des Siliziumblechs bleibt dabei unverändert.
Das Team arbeitet nun ausschließlich an Siliziumstrukturen und entwickelt eine verbesserte Geometrie für die thermoelektrische Wärmerückgewinnung. Es hofft, eine hohe Umwandlungsrate von Wärme in Strom zu erreichen. Diese Umwandlungsrate stellt sicher, dass die Technik für die Industrie wirtschaftlich rentabel wird.
Quelle: NIST-Pressemitteilung
