Materialien mit mehr Thermopower

Im Auto und in vielen industriellen Produktionsprozessen verpufft eine Menge Energie als Wärme. Mit thermoelektrischen Materialien könnte die Abwärme genutzt und so weniger Energie vergeudet werden. Wissenschaftler um Raphaël Hermann vom Forschungszentrum Jülich erforschen, wie sich diese Werkstoffe verbessern lassen.

Thermogeneratoren erzeugen aus Temperaturunterschieden Strom. Daher könnten sie künftig helfen, unter anderem die Abwärme zu nutzen, die bislang bei Autos mit Benzin- oder Dieselmotor verloren geht. Autokonzerne rechnen damit, dass sich auf diese Weise der Spritverbrauch um mindestens fünf Prozent verringern lässt, was auch die Kohlendioxid-Emissionen drückt. In vielen industriellen Prozessen oder in Blockheizkraftwerken wird ebenfalls überschüssige Wärme frei. Dass thermoelektrische Generatoren aktuell hier wie auch im Auto noch nicht im Einsatz sind, hat einen Grund: Bislang wandeln sie nur einen geringen Teil der Abwärme in Strom um. Selbst bei starken Temperaturunterschieden zwischen der warmen und der kalten Seite beträgt der Wirkungsgrad üblicherweise weniger als zehn Prozent.

Hermanns Forschergruppe

Das Ziel: Höherer Wirkungsgrad

Um diesen Wirkungsgrad zu verbessern, benötigt man Materialien, die elektrischen Strom gut leiten, Wärme dagegen schlecht. Meist sind aber gute Stromleiter ebenso gute Wärmeleiter, weil beide Eigenschaften durch die Beweglichkeit der Elektronen beeinflusst werden. „Doch es gibt neben der Wärmeleitfähigkeit durch elektrische Ladungsträger auch noch die Wärmeleitfähigkeit aufgrund von Gitterschwingungen. Indem man diesen Anteil reduziert, kommt man zu effizienteren Thermoelektrika“, sagt Raphaël Hermann vom Forschungszentrum Jülich.

In den Laboren des Jülicher Zentrums für Forschung mit Neutronen (JCNS) untersucht der Physiker zusammen mit seiner Gruppe die Gitterschwingungen und die Mechanismen des Wärmetransports. Dabei messen die Wissenschaftler beispielsweise die elastischen Konstanten und andere makroskopische Materialeigenschaften, die mit den Gitterbewegungen zusammenhängen. Um einen mikroskopischen Blick auf die Gitterschwingungen werfen zu können, benötigen sie Zugang zu Großgeräten an internationalen Forschungseinrichtungen. So nutzt die Forschergruppe regelmäßig die Messeinrichtungen des JCNS am Forschungsreaktor FRM II in Garching oder am Institut Laue-Langevin in Grenoble in Frankreich. Darüber hinaus untersuchen sie die Materialien beispielsweise an der European Synchrotron Radiation Facility, ebenfalls in Grenoble, und an der Photonenquelle des Argonne National Laboratory in den USA.

Rolle der Gitterschwingungen

Atomarer Aufbau eines thermoelektrischen Materials

Zum mikroskopischen Bild der Gitterschwingungen gehört, dass ihre Energie quantisiert ist, also immer nur in bestimmten Portionen auftreten kann. Quantisierte Gitterschwingungen heißen Phononen – ähnlich wie Photonen die Energiequanten des Lichts sind. Drei Faktoren bestimmen den Wärmetransport der Phononen: Geschwindigkeit, freie Weglänge und Wärmekapazität. „Das ist wie beim Gütertransport über Fernstraßen: Es wird umso mehr transportiert, je schneller der Lkw fährt, je weniger er im Stau steht und je größer sein Laderaum ist“, erläutert Hermann.

Die Forscher konnten bei thermoelektrischen Materialien mit chemischen Formeln wie Yb₁₄MnSb₁₁, FeSb₃ und Sr₈Ga₁₆Ge₃₀ ermitteln, welcher der Faktoren die Wärmeleitfähigkeit der Phononen jeweils entscheidend begrenzt. Hermann ist sich sicher: „Dieses Verständnis des Wärmetransports ist für die Suche nach thermoelektrischen Materialien mit höherem Wirkungsgrad wesentlich.“