Thermoelektrika: Mit Legierung aus Nickel und Gold Wärme in Strom umwandeln
Wissenschaftler der Technischen Universität Wien haben vielversprechende thermoelektrische Eigenschaften in Legierungen aus Nickel und Gold entdeckt. Diese Legierungen können effektiv genutzt werden, um Wärme effizient in elektrische Energie umzuwandeln.
Michael Parzer, Fabian Garmroudi und Andrej Pustogow (von links) zeigen goldene Aussichten für Thermoelektrika.
Foto: TU Wien
Thermoelektrische Materialien ermöglichen eine direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und umgekehrt. Dieses Merkmal macht sie äußerst interessant für verschiedene technologische Anwendungen. Ein Team von Forschern der Technischen Universität Wien widmete sich der Suche nach thermoelektrischen Materialien mit herausragenden Eigenschaften. Dafür untersuchten sie verschiedene metallische Legierungen. Besonders vielversprechend erwies sich eine Legierung aus Nickel und Gold. Die Ergebnisse der entsprechenden Studie wurden in der angesehenen Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.
Thermoelektrika in alltäglichen Geräten
Eigentlich ist die Nutzung von Thermoelektrika zur Energiegewinnung keine neue Idee. Schon seit den 1950er Jahren werden sie in der Raumfahrt zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Darüber hinaus finden Thermoelektrika Anwendung in alltäglichen Geräten wie tragbaren Kühlschränken. Ihre Verwendung könnte jedoch auch im industriellen Kontext erfolgen, um Abwärme in umweltfreundlichen Strom umzuwandeln – dies ist nur eine von vielen potenziellen Anwendungen.
Der thermoelektrische Effekt basiert auf der Wanderung von geladenen Teilchen von der wärmeren zur kälteren Seite eines Materials. Dies führt zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, die als Thermospannung bezeichnet wird. Die Thermospannung wirkt entgegen der thermisch induzierten Bewegung der Ladungsträger. Der Seebeck-Koeffizient, benannt nach dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck, definiert das Verhältnis zwischen der erzeugten Thermospannung und der Temperaturdifferenz. Dieser Koeffizient ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der thermoelektrischen Leistungsfähigkeit eines Materials.
Metallische Legierungen mit großen Seebeck-Koeffizienten
Forschende am Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Wien haben erfolgreich metallische Legierungen mit herausragender Leitfähigkeit und einem außergewöhnlich großen Seebeck-Koeffizienten identifiziert. „Obwohl Seebeck den thermoelektrischen Effekt vor mehr als 200 Jahren in herkömmlichen Metallen entdeckte, werden Metalle heutzutage kaum als thermoelektrische Materialien in Erwägung gezogen, da sie üblicherweise einen sehr geringen Seebeck-Koeffizienten aufweisen“, erklärt Fabian Garmroudi, Erstautor der Studie in der Pressemitteilung der TU Wien.
Durch die Kombination des magnetischen Metalls Nickel mit dem Edelmetall Gold wurden die elektronischen Eigenschaften grundlegend verändert. Sobald der goldene Glanz des Goldes durch Zugabe von etwa 10 Prozent Nickel verschwindet, steigt die thermoelektrische Leistung rapide an. Dieser verbesserte Seebeck-Effekt ist auf das energieabhängige Streuverhalten der Elektronen zurückzuführen, was sich fundamental von den halbleitenden Thermoelektrika unterscheidet.
Smart-Watches mit der Körperwärme aufladen?
„Man stelle sich ein Wettrennen zwischen zwei Personen vor, wobei eine Person auf einer freien Laufbahn läuft, die andere Person jedoch vielen Hindernissen ausweichen muss. Selbstverständlich kommt die Person auf der freien Bahn schneller voran als ihr Widersacher, der viel öfter abbremsen und seine Richtung ändern muss“, erklärt Andrej Pustogow, Senior-Autor der Studie, wie der Fluss der Elektronen in metallischen Thermoelektrika funktioniert. Als Anwendungsbeispiel nennt er beispielsweise Smart-Watches. „Mit der jetzigen Performance könnten beispielsweise Smart-Watches bereits autark mit der Körperwärme der Träger_innen aufgeladen werden“.
Illustration des thermoelektrischen Effekts in Legierungen aus Nickel und Gold.
Foto: TU Wien
In den analysierten Legierungen erfahren die positiven Ladungen eine deutliche Streuung an den Elektronen des Nickels, wohingegen die negativen Ladungen praktisch unbeeinträchtigt ihre Bewegung fortsetzen können.
„Auch wenn Gold ein teures Element ist, stellt unsere Arbeit einen Proof of Concept dar. Wir konnten zeigen, dass nicht nur Halbleiter, sondern auch Metalle gute thermoelektrische Eigenschaften aufweisen können, die sie für diverse Anwendungen relevant machen. Metallische Legierungen haben insbesondere im Herstellungsprozess eines thermoelektrischen Generators diverse Vorteile gegenüber Halbleitern“, wird Michael Parzer, einer der Hauptautoren der Studie in der Pressemitteilung zitiert.
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