Energie 18.09.2023, 13:20 Uhr

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

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.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
RHEINMETALL AG-Firmenlogo
Verstärkung für unsere technischen Projekte im Bereich Engineering und IT (m/w/d) RHEINMETALL AG
deutschlandweit Zum Job 
Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH-Firmenlogo
Softwareentwickler - Frontend (m/w/d) Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH
Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH-Firmenlogo
Mechaniker / Mechatroniker Sondermaschinenbau (m/w/d) Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH
verschiedene Standorte Zum Job 
Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH-Firmenlogo
Projektmanager für internationale Projekte (m/w/d) Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH
Satteldorf Zum Job 
Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH-Firmenlogo
Konstrukteur Maschinenbau (m/w/d) Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH
verschiedene Standorte Zum Job 
STERIS-Firmenlogo
Lead Talent Acquisition Partner STERIS
keine Angabe Zum Job 
E+E Elektronik-Firmenlogo
Vertriebsingenieur (m/w/d) im Außendienst E+E Elektronik
Vertriebsgebiet Neue Bundesländer Zum Job 
Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH-Firmenlogo
Projektierer (m/w/d) Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH
verschiedene Standorte Zum Job 
scanware electronic GmbH-Firmenlogo
Mitarbeiter (m/w/d) im technischer Vertriebsinnendienst scanware electronic GmbH
Bickenbach Zum Job 
TTP Holding GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Pharmatechnik (m/w/d) 80% - 100% TTP Holding GmbH
Basel, Visp (Schweiz) Zum Job 
TTP Holding GmbH-Firmenlogo
Chemieingenieur / Verfahrensingenieur (m/w/d) 80% - 100% TTP Holding GmbH
Basel (Schweiz) Zum Job 
TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH-Firmenlogo
Sachverständiger für Brand- und Explosionsschutz (m/w/d) TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH
Frankfurt am Main Zum Job 
DFS Deutsche Flugsicherung GmbH-Firmenlogo
Ingenieur* in der Instandsetzung und Entwicklung DFS Deutsche Flugsicherung GmbH
Langen (Hessen) Zum Job 
Dow-Firmenlogo
Campus Internship - Process Engineering (Chemie-/Verfahrenstechnik) Dow
Dow-Firmenlogo
Campus Fresh Graduate - Electrical Engineer (m/f/d) Dow
Schkopau Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur:in als Expertin oder Experte Kreuzungsprojekte und Qualitätsmanagement (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Hannover Zum Job 
Prognost Systems GmbH-Firmenlogo
Elektroingenieur / Maschinenbauingenieur / Techniker (m/w/d) (Elektroniker, Elektrotechniker o. ä.) Prognost Systems GmbH
Dow-Firmenlogo
Jump-start Your Engineering Career at Dow - Talent Pool Dow
Schkopau Zum Job 
RS Ingenieure GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Bauingenieur als Tragwerksplaner (m/w/d) RS Ingenieure GmbH & Co. KG
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Ingenieurin oder Ingenieur (w/m/d) Vertragsmanagement Bauwerksprüfung Die Autobahn GmbH des Bundes
Hannover Zum Job 

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

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.

Ein Beitrag von:

  • Alexandra Ilina

    Redakteurin beim VDI-Verlag. Nach einem Journalistik-Studium an der TU-Dortmund und Volontariat ist sie seit mehreren Jahren als Social Media Managerin, Redakteurin und Buchautorin unterwegs.  Sie schreibt über Karriere und Technik.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.