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 an der National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ein neuartiges Gerät entwickelt, das, wenn es perfekt ist, erfolgreich Wärme in Elektrizität umwandeln könnte. Diese Technologie hat die Potenzial zur Rückgewinnung der Abwärmeenergie In den Vereinigten Staaten wird davon ausgegangen, dass jährlich etwa 100 Milliarden Dollar verschwendet werden.
Kris Bertness, eine Forscherin am NIST, und ihr Team entwickelten diese Technik. Dabei werden Tausende mikroskopisch kleiner Galliumnitridsäulen auf einem Silizium-Wafer abgeschieden. Anschließend wird das Silizium Schicht für Schicht von der Unterseite des Wafers abgezogen, bis nur noch eine dünne Schicht übrig bleibt. Durch die Wechselwirkung zwischen den Säulen und der Siliziumschicht kann mehr Wärme in elektrischen Strom umgewandelt werden. verlangsamt die Hitze Übertragung im Material.
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 war der Erste, der ein merkwürdiges Verhalten bemerkte, das als Grundlage für die Studie des NIST und der University of Colorado diente. Anfang der 1820er Jahre begann Seebeck, eine Schleife aus zwei Metalldrähten unterschiedlicher Zusammensetzung zu untersuchen, die an beiden Enden miteinander verbunden waren. Er bemerkte, dass sich eine nahe Kompassnadel auslenkte, wenn die Temperaturen an den beiden Verbindungsstellen, die die Drähte zusammenhielten, variierten.
Andere Forscher fanden heraus, dass die tTemperaturunterschied zwischen den beiden Bereichen entwickelte eine Spannung und führte zu einem Strom, der die Ablenkung verursachte. Das durch den Strom erzeugte Magnetfeld führte zur Neuausrichtung der Kompassnadel.
Das Seebeck-Effekt, also die Umwandlung von Wärme in Elektrizität, könnte theoretisch die beste Methode zur Wiederverwendung von Wärmeenergie sein, die sonst verschwendet würde. 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 Der Physiker der Universität Colorado entdeckte bei seinen Forschungen zur thermoelektrischen Umwandlung, dass sich diese Eigenschaften in einer dünnen Membran mit Nanosäulen – stehenden Materialsäulen von höchstens einigen Millionstel Metern Länge, also etwa einem Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares – trennen lassen. Seine Entdeckung inspirierte das Team und Bertness zur Arbeit an dieser Technologie.
Mithilfe der Nanosäulen gelang es Bertness, Hussein und ihren Kollegen, Entkoppeln Sie die Wärmeleitfähigkeit der Siliziumplatte von ihrer elektrischen LeitfähigkeitDies ist eine Neuheit für jedes Material und ein bedeutender Schritt hin zur 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 Interaktion zwischen Phononen Vibrationen verlangsamen die Phononenbewegung, wodurch die Wärme das Material schlechter passieren kann. Dadurch verringert sich die Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturunterschied zwischen den Enden nimmt zu. Die elektrische Leitfähigkeit der Siliziumplatte 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
