Magnonen statt Elektronen
Aus jeglicher Abwärme ökonomisch Strom zu erzeugen, wäre eine Revolution. Mit neuen Materialkombinationen könnte sie gelingen.
- Ralph Diermann
Jeder Motor und jede Maschine, jede technische Anlage und nahezu jeder Produktionsprozess erzeugt Abwärme – Energie, die meist ungenutzt über Abluft oder Abwasser entweicht. Denn sie lässt sich in der Regel nur schwer oder gar nicht verwerten. Das kostet Unternehmen und Verbraucher viel Geld: Der Energieforschungs-Informationsdienst BINE beziffert den Wert der ins Nirwana entweichenden Abwärme allein in Deutschland auf mehr als 25 Milliarden Euro im Jahr.
Thermoelektrische Generatoren (TEG) könnten einen Teil dieses riesigen Reservoirs erschließen, indem sie aus der Abwärme von Motoren oder Kraftwerken Strom erzeugen. Die Halbleiter machen sich dabei zunutze, dass Temperaturdifferenzen in leitenden, festen Materialien eine elektrische Spannung verursachen. Denn die Elektronen auf der warmen Seite haben eine höhere Bewegungsenergie als die im kühleren Bereich. Ein Teil von ihnen wandert auf die kalte Seite, sodass die Elektronenkonzentration dort steigt und das Ungleichgewicht Spannung erzeugt.
Um das zu schaffen, müssen Forscher ganz spezielle Materialien entwickeln, die zwei völlig konträre Eigenschaften vereinen. Einerseits sollen sie elektrisch sehr leitfähig sein, um einen hohen Elektronenfluss und damit Stromertrag zu gewährleisten. Andererseits müssen sie gegenüber Wärme wie ein Isolator wirken, damit die Temperaturdifferenz gewahrt bleibt. Konventionelle Materialien sind damit überfordert. Trotz jahrelanger Forschung ist der Umwandlungsprozess noch so ineffizient, dass sich der Einsatz in industriellen Anwendungen nicht lohnt.
Nun aber ist ein Forscherteam am Institut für WerkstoffForschung und thermoelektrische Materialien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) der Lösung dieses Konfliktes nahe gekommen. Die Wissenschaftler versahen die Gitterstrukturen der Materialien mit zusätzlichen Atomen. "Diese Füllatome lenken die Gitterschwingungen ab, was die Wärmeleitfähigkeit des Kristallgitters erheblich reduziert", erläutert Abteilungsleiter Wolf Eckhard Müller. Würden mehrere Atomsorten als Füller verwendet, die in unterschiedlichen Energiebereichen streuen, zeige sich der Ansatz besonders effektiv.
In einem zweiten Ansatz vermahlen die DLR-Forscher das Material zu feinem Pulver und verpressen es anschließend. Dadurch verändern sie dessen Nanostruktur erheblich. Es entstehen weitaus mehr Grenzflächen, und die behindern die Ausbreitung der Gitterschwingungen, also der Wärme. Im Labor funktionieren beide Ansätze laut Müller bereits sehr gut. "Jetzt geht es darum, sie in die Praxis zu überführen."
Einer Arbeitsgruppe der Ohio State University geht diese Methode aber noch nicht weit genug. Sie will das Problem auf völlig neuem Weg lösen: Statt elektrischer sollen magnetische Ströme in Materialien die Energie erzeugen. Dafür nutzen sie sogenannte Magnonen. Sie werden ebenfalls durch Temperaturdifferenzen angeregt und transportieren Energie.
Als Material verwenden die Forscher Nickel, das nur mit sehr geringen Mengen von Platin-Nanopartikeln versetzt ist und deshalb recht günstig ist. Die US-Forscher haben im vergangenen Jahr in Laborversuchen eigenen Angaben zufolge eine Spannung von mehreren Millivolt erzielt. Allerdings, so gestehen die Forscher ein, ist die Stromerzeugung mittels Magnonen noch weit von der Anwendungsreife entfernt. Die Spannung ist derzeit viel zu gering für den kommerziellen Einsatz. (bsc)
