Günstige Wärmewandler

Neue Materialien sollen Computer und Gebäude kühlen und Abwärme in Autos in Strom umwandeln.

Thermoelektrische Elemente verwandeln Wärme in Strom und Strom in Wärme. Das Problem: Die dafür notwendigen Materialien sind in der Herstellung bislang noch sehr teuer und im täglichen Einsatz nicht effizient genug. Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) in Troy im US-Bundesstaat New York haben deshalb nun einen einfacheren, kostengünstigeren Produktionsprozess für die Technik entwickelt.

Die Elemente der RPI-Forscher sollen bereits jetzt so gut arbeiten wie schon auf dem Markt befindliche. Dabei steht das Team noch ganz am Anfang. "Wir haben das Verfahren bislang noch gar nicht optimiert", sagt Ganpati Ramanath, Professor für Material- und Ingenieurwissenschaften. "Wir sind zuversichtlich, dass wir die Effizienz weiter steigern können."

Bislang werden thermoelektrische Systeme für Nischenanwendungen genutzt, etwa zur Stromerzeugung in Raumfahrzeugen oder in temperaturkontrollierten Autositzen. Wären sie billiger und effizienter, könnte man sie auch für die Herstellung leichtgewichtiger Kühlschränke, Kühlsysteme für Computerchips oder Gebäudeklimatisierungen verwenden. Selbst der Einbau in das Abgassystem eines Autos wäre denkbar, um Energie zu erzeugen, mit der dann die Bordelektronik läuft – von der Beleuchtungsanlage bis zum Radio.

Gute thermoelektrische Materialien müssen Strom gut leiten, Wärme dagegen schlecht. Eine Möglichkeit, den Hitzetransfer-Wirkungsgrad zu steigern, liegt dabei in der Aufbringung von Nanostrukturen, die den Wärmefluss blockieren, Strom aber durchlassen.

Forscher entwickelten dafür Herstellungsverfahren, bei denen Kristalle zu einem feinen Pulver zermahlen werden. Dieser Prozess ist allerdings energieintensiv und ergibt nur sogenannte P-Typ-Materialien, die besonders viele Elektronenfehlstellen enthalten. Für praktische nutzbare Geräte sind jedoch sowohl P-Typ- als auch N-Typ-Materialien notwendig, die reich an Elektronen sind.

"Wir haben gezeigt, dass man sowohl P- als auch N-Typ-Materialien herstellen kann. Und wir können das sehr skalierbar und kosteneffizient machen", sagt Ramanath. Gramm-Volumina lassen sich demnach "in Minuten" herstellen.

Ramanath und seine Kollegen geben dazu Ausgangsstoffen wie Tellur und Bismut-Chlorid in ein organisches Lösungsmittel, das dann zwei bis drei Minuten lang Mikrowellenstrahlen ausgesetzt wird. Dazu reicht im Versuch eine gewöhnliche Haushaltsmikrowelle. So entsteht eine Lösung mit sechseckigen Nanoplatten, die sich zusammenpressen und erhitzen lassen, um Nanopellets herzustellen. Mit einem Lösungsmittel, das Schwefel enthält, ergeben sich Nanoplatten, die dem N-Typ entsprechen.

Die Forscher stellten bereits P-Typ-Materialien her, die genauso effizient sind wie die besten auf dem Markt. Die N-Typ-Variante hat sogar einen um 25 Prozent höheren Wirkungsgrad. Einer der größten Hersteller kommerzieller thermoelektrischer Elemente will den neuen Prozess deshalb demnächst umsetzen.

"Das ist die erste N-Typ-Nanostruktur mit hohem Wirkungsgrad", sagt John Badding, Professor für Chemie an der Penn State University. Bedeutend an der RPI-Arbeit sei vor allem, dass sich die Nanostrukturen über chemische Verfahren aufbauen ließen. Ausgangsmaterialien und Prozesse seien so noch weiter optimierbar. "Da steckt noch mehr Wirkungsgrad drin." (bsc)