Die Wissenschaftler haben eine aufregende Entdeckung gemacht: Es gibt eine besonders effiziente Art von thermoelektrischen Materialien, die Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln können. Durch kurzes, starkes Erhitzen können sie die Atomstruktur einer Metallverbindung aus Eisen, Vanadium und Aluminium so verändern, dass Elektronen mobil werden. Bereits geringe Temperaturunterschiede im Material reichen dann aus, um eine elektrische Spannung zu erzeugen.
Direkte Stromgewinnung aus Wärme
In den meisten Kraftwerken wird Wärme durch Turbinen in elektrischen Strom umgewandelt, wobei jedoch ein großer Teil der Energie verloren geht. Eine direktere Methode ist die Verwendung thermoelektrischer Materialien. Durch den Seebeck-Effekt können selbst geringe Temperaturunterschiede innerhalb des Materials Elektronen in Bewegung setzen und einen Strom erzeugen. Schon eine dünne Schicht solcher Materialien reicht aus, um Abwärme von Maschinen oder sogar unsere Körperwärme in Strom umzuwandeln.
Fokus auf die Elektronen
Für eine besonders effiziente thermoelektrische Umwandlung benötigen Materialien eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Das Finden solcher Materialien ist jedoch keine einfache Aufgabe. Bisher wurde versucht, dies durch das Einbringen von Fremdatomen in Halbleitermaterialien und die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Das Steigern des elektrischen Teils der Gleichung ist jedoch wesentlich schwieriger und daher eine große Herausforderung.
Anderson-Übergang als entscheidender Faktor
Die Experimente der Wissenschaftler zeigten, dass der sogenannte Anderson-Übergang für die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlung von großer Bedeutung ist. Der Anderson-Übergang tritt auf, wenn zufällig verteilte Unreinheiten im Material eine kritische Dichte überschreiten. Dies kann mit Eisschollen im Meer verglichen werden. Wenn die Anzahl der Eisschollen groß genug ist, entsteht eine durchgehende Verbindung, über die man das Meer überqueren kann. Entsprechend können sich Elektronen frei zwischen den Atomen bewegen, sobald die Anzahl der Fremdatome einen kritischen Wert erreicht.
Optimierung durch Hitze und Quenching
Die Experimente zeigten außerdem, dass der Anderson-Übergang nicht nur durch das Einbringen von Fremdatomen, sondern auch durch Erhitzen und schnelles Abkühlen im Wasserbad, dem sogenannten Quenching, erreicht werden kann. Das starke Schwingen der Atome bei hohen Temperaturen führt dazu, dass sie ihre Gitterplätze gelegentlich vertauschen. Dadurch entstehen unregelmäßige Defekte, die die Beweglichkeit der Elektronen erhöhen. Das Ergebnis ist ein extrem effizientes thermoelektrisches Material, in dem sich die Elektronen in einem sehr engen Energiebereich bewegen.
Leistungsschub für thermoelektrische Materialien
Die Messungen ergaben, dass die thermoelektrische Leistung der im Experiment verwendeten Metallverbindung bei 7,6 Milliwatt pro Meter und Quadratkelvin lag. Das ist eine Steigerung von 30 bis 40 Prozent im Vergleich zu den besten dotierten Varianten des Systems. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine der höchsten thermoelektrischen Leistungen, die jemals für einen Festkörper berichtet wurden. Die Forscher sind optimistisch, dass diese Erkenntnisse zu effizienteren Wärmewandlern und einer verbesserten Gewinnung von Strom aus ungenutzter Abwärme führen werden.
Quelle: Technische Universität Wien
Am Anderson-Übergang erreichen Defekte im Kristallgitter genau die Dichte, die für die thermoelektrische Mobilisierung der Elektronen nötig ist. © Garmroudi et al./ Nature Communications, CC-by 4.0
