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20. Mai 2019

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Die Umwandlung von Abwärme in Strom

Die Umwandlung von Abwärme in Strom@piqs.de/Renschgro

Forscher entdecken einen physikalischen Effekt, der elektrisch leitende Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Damit wird auch die Umwandlung von Abwärme in Strom möglich.

Bei sehr, sehr vielen Prozessen geht tagtäglich wertvolle Energie in Form von Abwärme verloren. Das betrifft eine Vielzahl an kleineren technischen Geräten in Eigenheimen und Firmen und geht bis hin zu großen Energieanlagen im Bereich Industrie oder Infrastruktur. Einen Teil davon könnte mittels einer Art thermoelektrischer Effekt zurückgewonnen werden. Dabei wird aus einer Wärmedifferenz zwischen einem heißen Gerät und der kalten Umgebung direkt elektrischer Strom gewonnen. Allerdings braucht es dafür Materialien, die sowohl Strom gut leiten und gleichzeitig aber auch relativ schlechte Wärmeleiter sind.

Gefängniszellen für Atome
Nach solchen Materialien wird weltweit gesucht. Als besonders vielversprechend erwiesen sich Materialien mit Käfigstruktur, zu denen auch die aktuell an der TU Wien untersuchten sogenannten Clathrate gehören. Nach umfangreichen Untersuchungen wurde hier nun ein bemerkenswerter Effekt nachgewiesen, der die besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien erklären kann.
„Clathrate sind Kristalle mit einer ganz besonderen Struktur. Sie bestehen aus winzigen Gitterkäfigen, in denen einzelne Atome eingesperrt sind“, erklärt Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Ein solches Atom kann in seiner Einzelzelle hin und her schwingen, es ist aber nicht fest in das Kristallgitter eingebaut. Die Wärme in einem Festkörper ist nichts anderes als das Schwingen der Atome. Erwärmt man einen Kristall, werden die Schwingungen immer größer und heftiger, bis irgendwann die Bindungen zwischen den Atomen aufgebrochen werden und der Kristall schmilzt.

Bisher unbekannter physikalischer Effekt
„Sind benachbarte Atome stark aneinander gebunden, so überträgt sich die Schwingung eines Atoms gleich auf den Nachbar und eine Wärmewelle breitet sich im Material aus. Je stärker die Kopplung zwischen den Atomen, desto schneller die Ausbreitung der Welle und desto größer die Wärmeleitung“, erläutert Bühler-Paschen. Und: „Ist ein Atom jedoch nur sehr schwach an seine Nachbarn gebunden, wie eben das Atom im Clathratkäfig, so schwingt es weitgehend unabhängig von den anderen und die Wärmewelle ist extrem langsam“, ergänzt die Forscherin.
„Es gibt hier einen bisher unbekannten physikalischen Effekt, der die Wärmeleitfähigkeit unterdrückt – wir bezeichnen ihn als Kondo-artige Phononenstreuung“, sagt Matthias Ikeda, der im Team von Bühler-Paschen umfangreiche Versuchsanordnungen durchführte. „Die Wärmewelle ändert dabei die Schwingungsrichtung des Atoms im Clathratkäfig“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Dadurch wird die Wärmewelle abgebremst, und genau das reduziert die Wärmeleitung. Obwohl Clathrate elektrischen Strom leiten, sind sie daher gute thermische Isolatoren“, so die Forscherin.

Heiß und kalt
Genau diese Kombination braucht es, um den thermoelektrischen Effekt großtechnisch zu nutzen. Etwas Heißes wird mittels passender Materialien mit etwas Kaltem verbunden und dann kann der Energiefluss dazwischen direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Das Material muss einerseits elektrischen Strom leiten, gleichzeitig aber den Temperaturunterschied nicht durch Wärmeleitung rasch ausgleichen, da der Effekt sonst nicht mehr genutzt werden kann.
„Das Projekt war sehr aufwändig, neben zahlreichen Experimenten mussten auch umfangreiche Computersimulationen entwickelt werden, um die quantenphysikalischen Prozesse hinter diesem Effekt zu verstehen“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Mit unserem Konzept kann man das Verhalten von Clathraten nun viel besser verstehen und damit auch gezielter daran arbeiten, die effizientesten Materialien für thermoelektrische Anwendungen zu finden.“

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red/mc, Economy Ausgabe Webartikel, 28.02.2019