Smartphones erwärmen sich beim Laden, Laptops blasen Wärme aus dem Lüfter, Elektromotoren heizen ihre Gehäuse auf. Bei fast allem, was Strom verbraucht, geht ein Teil davon als Wärme verloren. Dass sich dieser Prozess auch umkehren lässt, weiß man seit 1821: Der Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckte, dass zwischen dem warmen und dem kalten Ende eines Leiters eine elektrische Spannung entsteht.
Thermoelektrische Materialien nutzen diesen Effekt, um aus einem Temperaturunterschied Strom zu machen – ohne bewegliche Teile wie Rotoren. Als dünne Schicht auf einem Chip könnten sie Sensoren mit Strom versorgen, die an keine Steckdose kommen. Ihr breiter Einsatz scheitert aber meist an der aufwendigen Herstellung.
Ein Team der Tohoku University im japanischen Sendai hat jetzt eine hauchdünne Schicht entwickelt, die Abwärme in Strom umwandelt und sich bei Raumtemperatur herstellen lässt. Ein kleiner Zusatz Titan steigert ihre Leistung um das 250-Fache. Die Studie erschien am 12. Oktober im Journal of Materials Chemistry A, Ende Oktober machte die Universität die Ergebnisse international bekannt.
Inhaltsverzeichnis
Von der Wärme zum Strom
ORC-Anlagen
Für die Stromerzeugung aus größeren Abwärmemengen kommen häufig Wärmekraftmaschinen zum Einsatz. In der Regel handelt es sich dabei um ORC-Anlagen. Die Abkürzung steht für Organic Rankine Cycle, benannt nach dem schottischen Ingenieur William Rankine, der im 19. Jahrhundert den Dampfkreisprozess beschrieb, nach dem bis heute jedes Kohle- und Kernkraftwerk arbeitet: Wärme verdampft Wasser, der Dampf treibt eine Turbine, die einen Generator dreht, dann wird der Dampf kondensiert und der Kreis beginnt von vorn.
Für Abwärme ist Wasser als Arbeitsmedium aber ungeeignet, weil es bei Normaldruck erst bei 100 °C siedet und ein Kraftwerk es weit darüber hinaus erhitzt. ORC-Anlagen ersetzen es deshalb durch ein organisches Medium, etwa ein Kältemittel oder ein Silikonöl, das schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen verdampft. So lässt sich auch Wärme nutzen, die für einen klassischen Dampfkreislauf zu kühl ist.
Das Münchner Unternehmen Orcan Energy baut solche Anlagen in Serie. „Wirtschaftlich sinnvoll was machen können wir ab 80 °C, wenn wir ein flüssiges Abwärmemedium haben, oder ab 150 °C, wenn es gasförmig ist“, sagt ein Unternehmensvertreter im Gespräch mit ingenieur.de. Die Module liefern 200 kW bis 1,6 MW und wandeln rund 10 %, mit Turbine bis zu 20 % der Wärme in Strom um. Das lohnt sich an Motoren, Öfen oder Kompressoren, aber nicht an einem Chip.
Thermoelektrik
Bei der Thermoelektrik gibt es keinen Umweg über Dampf und Turbine. Stattdessen erzeugt das Material selbst Strom aus dem Temperaturunterschied. Das funktioniert so:
- In einem Metall oder Halbleiter sind die Elektronen am warmen Ende schneller unterwegs als am kalten. Sie wandern deshalb bevorzugt zur kalten Seite und sammeln sich dort, bis die elektrische Abstoßung die Wanderung stoppt.
- Zwischen beiden Enden liegt dann eine Spannung (der eingangs erwähnte Seebeck-Effekt). Am warmen Smartphone wären das etwa 20 K Unterschied zwischen Akku und Raumluft. Die Spannung pro Grad ist winzig, bei guten Materialien ein paar Hundert Mikrovolt.
- Ein Thermogenerator schaltet deshalb üblicherweise viele kurze Streifen in Reihe, abwechselnd aus einem Material, in dem Elektronen den Strom tragen, und einem, in dem positive Ladungen wandern, damit sich die Spannungen addieren statt aufzuheben.
Der Preis dafür ist eine geringe Ausbeute: Thermogeneratoren holen meist nur wenige Prozent aus der Wärme. Kleine Sensormodule liefern Nano- bis Milliwatt, größere Module auch einige Watt. Sie eignen sich deshalb für Orte, an die keine Maschine passt: Sensoren in Rohrleitungen, Funkmodule an Motoren oder Elektronik, die ohne Batteriewechsel laufen soll. Bei diesen Anwendungen zählt in der Regel nicht der Wirkungsgrad, sondern dass überhaupt Strom entsteht.
Warum thermoelektrische Materialien schwer herzustellen sind
Ein thermoelektrisches Material muss dafür zwei Dinge können, die sich normalerweise widersprechen.
- Es soll aus einem Grad Temperaturunterschied möglichst viel Spannung erzeugen
- Es soll Strom gut leiten, damit aus der Spannung auch Leistung wird.
Das Dilemma: Je mehr freie Elektronen ein Material hat, desto besser leitet es, aber desto kleiner wird die Spannung pro Grad.
Beides zusammen beschreibt der Power Factor. Er zeigt, wie viel elektrische Leistung ein Material aus einem Temperaturunterschied holen kann. Für den Wirkungsgrad kommt eine dritte Größe hinzu: Das Material sollte Wärme möglichst schlecht leiten, damit der Unterschied nicht verpufft.
Welche Materialien sich eignen
Die Materialien, die diesen Spagat bisher am besten schaffen, sind Verbindungen aus Bismut und Tellur. Sie stecken in kommerziellen Thermogeneratoren und erreichen als dünne Schicht Power Factors von 20 bis 50 µW/cm·K².
Die Schichten müssen allerdings bei mehreren hundert Grad abgeschieden oder nachträglich geglüht werden. Für einen Chip, eine Kunststofffolie oder ein fertiges Sensorgehäuse ist das zu heiß. Dazu kommt, dass Tellur zu den seltensten Elementen der Erdkruste zählt.
Chromnitrid statt Bismuttellurid
Die Forschenden der Tohoku University nutzen in ihrer Studie daher Chromnitrid, das sonst als Hartstoffschicht auf Werkzeugen im Einsatz ist. Es lässt sich bei Raumtemperatur per Sputtern auf nahezu jede Oberfläche aufbringen.
Im Vakuum schlagen Ionen Chromatome aus einer Platte, die sich mit Stickstoff aus dem Prozessgas verbinden und sich als Schicht auf dem Träger niederschlagen. Die Schichten in der Studie sind rund 100 nm dick, etwa ein Tausendstel der Schutzfolie auf einem Handydisplay. Dazu leitet Chromnitrid Wärme von Haus aus schlecht, was einem Thermoelektriker zugutekommt.
Trotzdem ist so hergestelltes Chromnitrid zunächst ein schlechter Thermoelektriker. In der Schicht fehlen nämlich viele Stickstoffatome an ihren Gitterplätzen, und jede dieser Lücken setzt ein zusätzliches Elektron frei. Zu viele Elektronen bedeuten hohe Leitfähigkeit, aber kaum Spannung. Der Power Factor von reinem Chromnitrid liegt rund 250-mal unter dem neuen Wert aus Sendai.
Titan stopft die Lücken im Kristallgitter
Die Lösung aus Sendai setzt an diesen fehlenden Stickstoffatomen an. Das Team um Yi Shuang, Assistant Professor an der Tohoku University, mischte dem Chromnitrid beim Sputtern Titan bei, indem es neben der Chromplatte eine zweite aus Titan beschoss. Titan bindet Stickstoff stärker als Chrom. In der wachsenden Schicht hält es die Stickstoffatome deshalb an ihren Plätzen, es entstehen weniger Lücken, und die Zahl der freien Elektronen sinkt.
Zugleich bewegen sich die verbliebenen Elektronen deutlich leichter durch das Gitter. Ihre Beweglichkeit stieg laut der Studie fast um das Fünfzigfache, weil die Fehlstellen, an denen sie sonst gestreut wurden, nicht vorhanden sind.
Weniger, aber beweglichere Elektronen
Weniger Elektronen, die sich dafür rund fünfzigmal leichter bewegen, setzen an beiden Seiten des Dilemmas an: Die Spannung pro Grad steigt auf über 100 µV/K, die Leitfähigkeit bleibt hoch. Den Titangehalt variierte das Team zwischen 4,6 und 9,3 Atomprozent. Im besten Fall erreichte die Schicht einen Power Factor von 5,26 µW/cm·K², den 250-fachen Wert von reinem Chromnitrid.
Aus der Schicht baute das Team einen Demonstrator auf einer Glasplatte. Bei 96 K Temperaturunterschied lieferte er knapp 456 nW, bezogen auf den Querschnitt der Schicht eine Leistungsdichte von 38 mW/cm². Bei Temperaturzyklen bis 400 °C unter Argon zeigte die Schicht stabile elektrische Eigenschaften; die rund 40 °C eines Akkus beim Schnellladen sind für sie keine Belastung.
„Indem wir die Defekte im Material gezielt kontrollieren, haben wir einen Weg gefunden, den Ladungstransport zu verbessern, ohne auf eine Hochtemperaturbehandlung angewiesen zu sein“, sagt Shuang.
250-mal besser, aber verglichen womit?
Die 250 beziehen sich auf reines Chromnitrid. Und das war ein schlechter Ausgangspunkt. Im Vergleich zu Bismuttellurid-Schichten mit 20 bis 50 µW/cm·K² liegt die Titanschicht mit 5,26 weiterhin um das Vier- bis Zehnfache zurück, auch wenn die Studie sie in einem breiteren Vergleichsfeld vorn sieht. Die Tohoku University schreibt denn auch nicht, ihr Material sei so gut wie die etablierten, sondern dass die Leistungsdichte des Demonstrators mit ihnen vergleichbar sei.
Der eigentliche Fortschritt des japanischen Teams liegt in der Herstellung: eine brauchbare thermoelektrische Schicht kann ohne Hitze erzeugt und auf Glas und künftig womöglich sogar auf Kunststofffolie oder direkt auf einem fertigen Chip appliziert werden.
Der Weg zum Strom aus Abwärme
Bis dahin fehlt indes noch ein Baustein. Leistungsfähige Thermogeneratoren kombinieren üblicherweise zwei Materialien mit entgegengesetzten Ladungsträgern. Die Titanschicht liefert Elektronen. Der passende Gegenpart ist ein mit Sauerstoff dotiertes Chromnitrid, das die Gruppe im Frühjahr vorgestellt hat. Es ist aber deutlich schwächer, sein Power Factor liegt bei 0,33 µW/cm·K². Ein Demonstrator aus beiden Schichten erreichte deshalb zwar 180 mV Spannung bei 97 K, aber nur 123 nW, ein Viertel der Titanschicht allein.
Daran arbeitet die Gruppe als Nächstes. Die bislang erzeugten 456 nW stammen zudem aus einem Temperaturunterschied von 96 K, den es im Alltag selten gibt. Am Smartphone aus dem Wärmebild, mit rund 20 K zwischen Akku und Raumluft, blieben davon unter idealisierten Bedingungen rechnerisch nur etwa 20 nW übrig, weil die Leistung mit dem Quadrat des Temperaturunterschieds fällt.
Das Handy lädt sich damit nicht selbst. Der Demonstrator ist aber auch nur ein einzelner Streifen auf Glas; ein fertiger Generator würde viele davon koppeln und die Fläche nutzen, die ein Gerät ohnehin hat. Ob das für die sparsamsten Sensoren reicht, muss das Team noch zeigen.
Quellen
- Tohoku University, School of Engineering, Pressemitteilung 30.10.2026: „Titanium Boosts Thermoelectric Performance of Thin Films by 250-fold“: https://www.tohoku.ac.jp/en/press/titanium_boosts_thermoelectric_performance_of_thin_films_by_250_fold.html
- Junya Kurahashi, Yi Shuang, Yuji Sutou: „Breaking the trade-off in CrN thermoelectrics via Ti doping: from room-temperature fabricated films to device-level performance“, Journal of Materials Chemistry A, online 12.10.2026, DOI 10.1039/D6TA04854D
- Yi Shuang et al.: „Residual oxygen-driven p–n conversion and thermoelectric properties in CrN films“, J. Mater. Chem. A 14, 14241 (6.3.2026), DOI 10.1039/D5TA10269C
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/ta/d5ta10269c - EE Times Japan, 20.10.2026: 室温成膜のまま熱電性能を約250倍に向上 – japanische Erstmeldung, Seebeck-Koeffizient: https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2610/20/news034.html
- Orcan Energy: Interview mit ingenieur.de (unveröffentlicht, Juli 2026)
- Munich Startup: „Orcan Energy integrates Howden technology“:
https://www.munich-startup.de/en/115167/orcan-energy-relies-on-howden-technology/
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