Hitze ist überall um uns herum. In den Motoren unserer Autos, in den Prozessoren unserer Computer, in unseren Industrierohren. Und das meiste davon wird einfach verschwendet und in die Umwelt abgegeben. Dort thermoelektrisch hat schon lange versprochen, diese verlorene Energie zu nutzen, wurde dabei jedoch immer durch ein grundsätzliches Dilemma behindert: Wie kann man Elektrizität leiten, ohne gleichzeitig Wärme zu leiten?
Nun hat ein Team unter der Leitung von Fabian Garmroudi am Los Alamos National Laboratory hat eine überraschend wirksame Antwort gefunden. Die Kombination zweier Materialien Mit inkompatiblen Gitterstrukturen, aber kompatiblen elektronischen Eigenschaften hat das Team einen Hybrid geschaffen, der die Konventionen der Materialphysik außer Kraft setzt und verdoppelt den thermoelektrischen Wirkungsgrad. Als? Schauen wir es uns gemeinsam an.
Die Herausforderung widersprüchlicher Eigenschaften
Effektive thermoelektrische Materialien (Festkörperhalbleiter, die Wärme in elektrische Energie umwandeln) müssen Strom effizient leiten und gleichzeitig die Wärmeübertragung minimieren. Dies stellt, wie erwähnt, eine besondere Herausforderung dar: Materialien, die Strom gut leiten, leiten typischerweise auch Wärme gut.
Wie erklären Sie sich Garmroudi: „In Festkörpern wird Wärme sowohl durch bewegliche Ladungsträger als auch durch Schwingungen von Atomen im Kristallgitter übertragen.“ Es handelt sich um ein Problem, das Forscher seit Jahrzehnten frustriert und die praktische Anwendung dieser vielversprechenden Technologie einschränkt.
Bei thermoelektrischen Materialien geht es vor allem darum, den Wärmetransport durch Gitterschwingungen zu unterdrücken, da diese nicht zur Energieumwandlung beitragen.
Diese Erkenntnis führte das Team zu einem völlig neuen Ansatz, gerade in einer Pressemitteilung angekündigt. Anstatt ein einzelnes Material zu modifizieren, warum nicht zwei mit sich ergänzenden Eigenschaften kombinieren?
Die thermoelektrische Intuition, die die Spielregeln ändert
Die Innovation entstand während des Forschungsaufenthaltes von Garmroudi in Tsukuba, Japan, gefördert durch den Lions Award und realisiert amNationales Institut für Materialwissenschaften im Rahmen seiner Arbeit amTechnische Universität Wien.
Unter großer Hitze und Druck verschmolz er zwei verschiedene Pulver: eines aus einer Eisenlegierung mit Vanadium, Tantal e Aluminium (Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅) und die andere aus einer Mischung von Wismut-Antimon (Bi₀.₉Sb₀.₁). Das Ergebnis? Ein kompaktes Hybridmaterial mit wirklich vielversprechendem thermoelektrischem Potenzial: Wieder einmal entstehen die elegantesten Lösungen aus unerwarteten Kombinationen.
Das Besondere an diesem Ansatz ist, dass die beiden Materialien nicht auf atomarer Ebene verschmelzen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen und mechanischen Eigenschaften reichert sich die Wismut-Antimon-Komponente gezielt an den mikrometergroßen Grenzflächen zwischen den Kristallen der FeVTaAl-Legierung an. In einfachen Worten? Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei völlig unterschiedliche Arten von LEGO-Steinen, die nicht zusammenpassen. Wenn Sie versuchen, sie unter Druck und Hitze zu kombinieren, bleiben sie getrennt, anstatt sich vollständig zu vermischen und zu verschmelzen. Das Wismut-Antimon (eine Art von Baustein) vermischt sich nicht mit der Eisenlegierung (der anderen Art von Baustein), sondern sitzt genau in den Zwischenräumen der Kristalle der Eisenlegierung und erzeugt so mikroskopisch kleine „Grenzzonen“.
Und genau in diesen Grenzbereichen geschieht die Magie: Elektronen können problemlos von einem Material zum anderen gelangen (gute elektrische Leitung), während thermische Schwingungen blockiert werden (schlechte Wärmeleitung). Es ist wie ein Filter, der Strom durchlässt, aber Wärme blockiert: genau das, was für eine rekordverdächtige thermoelektrische Effizienz erforderlich ist.
Übertrifft den Standard der 50er Jahre
„Diese Entdeckung bringt uns unserem Ziel, ein thermoelektrisches Material zu entwickeln, das mit kommerziell erhältlichen Verbindungen auf Basis von Wismuttellurid konkurrieren kann, einen großen Schritt näher“, schließt er. Garmroudi. „Durch die gezielte Entkopplung von Wärme- und Ladungstransport konnte das Team die Effizienz des Materials steigern um mehr als 100 Prozent"
Wismuttellurid, das in den 50er Jahren eingeführt wurde, gilt noch immer als Maßstab für thermoelektrische Materialien. Die neuen Hybridmaterialien bieten jedoch einen wichtigen Vorteil: Sie sind deutlich stabiler und kostengünstiger.
Dieser Durchbruch könnte die Art und Weise verändern, wie wir das Internet der Dinge mit Strom versorgen, insbesondere Mikrosensoren und andere Miniaturelektronik. Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der Abwärme von Industrieanlagen, Fahrzeugen oder sogar dem menschlichen Körper genutzt und in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden könnte.
Dank dieser bahnbrechenden Forschung, die die Grenzen dessen, was wir in der Materialphysik für möglich hielten, in Frage stellt, ist dies nun eine echte Möglichkeit.
