Wirkungsgrad von günstigen, thermoelektrischen Konvertern für hohe Temperaturen deutlich gesteigert

Halb-Heusler-Legierung

Chesnut Hill (USA) - Über die heißen Abgase verschleudert heute jedes Auto mit Verbrennungsmotor einen großen Teil Energie. Doch die Hitze am Auspuff lässt sich mit kleinen Kraftwerken direkt in elektrischen Strom umwandeln. Während bislang die effizientesten thermoelektrischen Module aus giftigen und teuren Materialien wie beispielsweise Wismuttellurid bestanden, fanden nun amerikanische Forscher eine günstige Alternative in so genannten Halb-Heusler-Legierungen, deren Wirkungsgrad über Nanostrukturen um 60 Prozent gesteigert werden konnte. Über diesen Fortschritt berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift "Nano Letters".

"Die Reichweite eines Autos könnte so um bis zu zehn Prozent erhöht werden", sagt Xiao Yan vom Boston College in Chestnut Hill. Zusammen mit Kollegen von der University of Virginia fertigte Yan ein extrem feines Nanopulver einer Metalllegierung aus Zirkonium, Hafnium, Kobalt und Zinn. Die nur fünf bis zehn Millionstel Millimeter feinen Körnchen pressten die Forscher behutsam zu einem größeren Block zusammen. Dabei ballten sich die Partikel zu 200 Nanometer kleinen Körnern zusammen. So konnte die Wärmeleitfähigkeit des Materials um ein gutes Drittel gesenkt werden.

Zugleich behielt der Werkstoff allerdings seine guten elektrischen Eigenschaften. In der feinen Korngröße liegt die Ursache für eine Steigerung der Effizienz für die Stromgewinnung um 60 Prozent. Den Wirkungsgrad für den zugrundeliegenden Seebeck-Effekt geben die Forscher über den so genannten ZT-Wert an, der für das neue Material bei 0,8 bei einer Betriebstemperatur von 700 Grad Celsius rangierte.

Ab einem ZT-Wert von etwa eins rechnen Entwickler von thermoelektrischen Konvertern mit einem wirtschaftlichen Einsatz dieser Minikraftwerke an einem Autoauspuff. Der so gewonnene Strom entlastet die Lichtmaschine und reduziert dadurch den Treibstoffverbrauch. Interessant ist diese Technologie auch für Hybrid-Autos, die den Strom nicht nur für Klimaanlage und Bordelektronik, sondern auch für die Elektromotoren nutzen könnten.

In Deutschland wird auch intensiv an diesen Hitze-Kraftwerken gearbeitet. "Aber auf Dauer helfen nur preiswerte Materialien der Thermoelektrik zum Durchbruch", sagt Harald Böttner, Abteilungsleiter Thermoelektrische Systeme am Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg. So werde weltweit an einem Riesenstrauß neuer Materialien geforscht. Die neuen Ergebnisse empfehlen die prinzipiell günstig zu fertigen Halb-Heusler-Legierungen für weitere Versuche. Gelingt die Massenfertigung, könnten in einigen Jahren überall, wo Abwärme bisher ungenutzt verpufft, zumindest einige Kilowatt Strom erzeugt werden. Ein vor wenigen Jahren angemeldetes Patent auf die thermoelektrische Nutzung der Motorwärme von BMW zeigt, dass die Idee auch von der Autoindustrie ernst genommen wird.