Erforschung einer neuartigen Möglichkeit, Wärme in Elektrizität umzuwandeln

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ein neuartiges Gerät hergestellt, das die Umwandlung von Wärme in Elektrizität drastisch beschleunigen könnte. Wenn die Technologie perfektioniert wird, könnte sie dazu beitragen, einen Teil der in den USA verschwendeten Wärmeenergie im Wert von etwa 100 Milliarden US-Dollar pro Jahr zurückzugewinnen.

Bei der neuen Herstellungstechnik, die von der NIST-Forscherin Kris Bertness und ihren Mitarbeitern entwickelt wurde, werden Hunderttausende mikroskopisch kleiner Galliumnitridsäulen auf einem Siliziumwafer abgeschieden. Anschließend werden Siliziumschichten von der Unterseite des Wafers entfernt, bis nur noch eine dünne Schicht des Materials übrig bleibt.

Die Wechselwirkung zwischen den Säulen und der Siliziumschicht verlangsamt den Wärmetransport im Silizium, sodass mehr Wärme in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bertness und ihre Mitarbeiter an der University of Colorado Boulder berichteten am 23. März online über die Ergebnisse Fortgeschrittene Werkstoffe.

Sobald die Herstellungsmethode perfektioniert ist, könnten die Silikonfolien um Dampf- oder Abgasrohre gewickelt werden, um Wärmeemissionen in Elektrizität umzuwandeln, die in der Nähe befindliche Geräte mit Strom versorgen oder in ein Stromnetz eingespeist werden könnte. Eine weitere mögliche Anwendung wäre die Kühlung von Computerchips.

Die Studie des NIST und der University of Colorado basiert auf einem merkwürdigen Phänomen, das erstmals vom deutschen Physiker Thomas Seebeck entdeckt wurde. In den frühen 1820er Jahren untersuchte Seebeck zwei Metalldrähte aus jeweils unterschiedlichem Material, die an beiden Enden zu einer Schleife verbunden waren.

Er beobachtete, dass eine Kompassnadel in der Nähe abgelenkt wurde, wenn die beiden Verbindungsstellen der Drähte auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten wurden. Andere Wissenschaftler erkannten bald, dass die Ablenkung auftrat, weil der Temperaturunterschied eine Spannung zwischen den beiden Regionen induzierte, wodurch Strom von der heißeren Region in die kältere floss. Der Strom erzeugte ein Magnetfeld, das die Kompassnadel ablenkte.

Theoretisch könnte der sogenannte Seebeck-Effekt eine ideale Möglichkeit sein, Wärmeenergie wiederzuverwenden, die sonst verloren gehen würde. Aber es gab ein großes Hindernis. Ein Material muss Wärme schlecht leiten, um einen Temperaturunterschied zwischen zwei Regionen aufrechtzuerhalten, aber Elektrizität extrem gut leiten, um die Wärme in eine beträchtliche Menge elektrischer Energie umzuwandeln. Bei den meisten Stoffen gehen Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit jedoch Hand in Hand; Ein schlechter Wärmeleiter führt zu einem schlechten elektrischen Leiter und umgekehrt.

Beim Studium der Physik der thermoelektrischen Umwandlung entdeckte der Theoretiker Mahmoud Hussein von der University of Colorado, dass diese Eigenschaften in einer dünnen Membran entkoppelt werden könnten, die mit Nanosäulen bedeckt ist – stehenden Materialsäulen, die nicht länger als ein paar Millionstel Meter sind, also etwa einen -Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares. Seine Entdeckung führte zur Zusammenarbeit mit Bertness.

Mithilfe der Nanosäulen gelang es Bertness, Hussein und ihren Kollegen, die Wärmeleitfähigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit in der Siliziumschicht zu entkoppeln – ein Novum für jedes Material und ein Meilenstein für die effiziente Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Die Forscher reduzierten die Wärmeleitfähigkeit der Siliziumfolie um 21 %, ohne deren elektrische Leitfähigkeit zu verringern oder den Seebeck-Effekt zu verändern.

In Silizium und anderen Festkörpern sind Atome durch Bindungen eingeschränkt und können sich nicht frei bewegen, um Wärme zu übertragen. Infolgedessen erfolgt der Transport von Wärmeenergie in Form von Phononen, die kollektive Schwingungen der Atome bewegen. Sowohl die Galliumnitrid-Nanosäulen als auch die Siliziumschicht tragen Phononen, aber die innerhalb der Nanosäulen sind stehende Wellen, die von den Wänden der winzigen Säulen festgehalten werden, ähnlich wie eine schwingende Gitarrensaite an beiden Enden festgehalten wird.

Die Wechselwirkung zwischen den Phononen, die sich in der Siliziumschicht bewegen, und den Vibrationen in den Nanosäulen verlangsamt die wandernden Phononen, wodurch es für die Wärme schwieriger wird, durch das Material zu dringen. Dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit verringert und somit der Temperaturunterschied von einem Ende zum anderen erhöht. Ebenso wichtig ist, dass die Phononenwechselwirkung diese Leistung vollbringt, während die elektrische Leitfähigkeit der Siliziumschicht unverändert bleibt.

Das Team arbeitet derzeit an vollständig aus Silizium gefertigten Strukturen mit einer besseren Geometrie für die thermoelektrische Wärmerückgewinnung. Die Forscher gehen davon aus, dass die Umwandlungsrate von Wärme in Strom hoch genug ist, um ihre Technik für die Industrie wirtschaftlich rentabel zu machen.