Quantenmotor mit hoher Effizienz

Gasturbinen oder Dieselgeneratoren erzeugen Strom, indem sie mithilfe von Hitze mechanische Rotationsbewegungen antreiben. Eine neuartige Wärmekraftmaschine im Nanomaßstab kommt dagegen ganz ohne mechanische Bauteile aus. Wie die Entwickler in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, erreicht die winzige Maschine eine mit modernen Gasturbinen vergleichbare Effizienz. Zwar könnten solche Nanokraftwerke nur sehr geringe Strommengen liefern. Zum Betrieb von Sensoren dürften diese aber prinzipiell ausreichen.

Gemeinsam mit seinen Kollegen setzte Heiner Linke von der Universität Lund eine vor gut 15 Jahren entwickelte, unkonventionelle Idee um: Einzelne Elektronen werden zwischen zwei Reservoiren mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen ausgetauscht. In herkömmlichen Wärmekraftmaschinen wird dagegen der Wärmefluss zwischen den Reservoiren genutzt, um thermische in mechanische Energie umzuwandeln.

Mikroskopaufnahme des Nanokraftwerks

Als Wärmereservoire setzten Linke und sein Team zwei filigrane Metalldrähte mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen ein. Dazwischen positionierten sie eine winzige Struktur aus Nanodrähten, einen sogenannten Quantenpunkt. Aufgrund der winzigen Ausmaße führen quantenmechanische Effekte darin zu neuartigen physikalischen Eigenschaften. In diesem Fall wirkt die Nanostrukur als Filter, um nur Elektronen mit einer bestimmten Energie hindurchzulassen.

In den Experimenten wanderten nun einzelne Elektronen über den Quantenpunkt von der wärmeren zur kälteren Elektrode – angetrieben von der Temperaturdifferenz. Dabei ließ sich ein winziger Stromfluss bei etwa einem Volt Spannung messen. „Unser Ansatz zeigt, dass sich Wärme mit hoher Effizienz und ohne Zwischenschritt direkt in Elektrizität umwandeln lässt“, erläutert Linke. Die Effizienz des Nanogenerators liegt bei rund 70 Prozent des theoretisch möglichen Maximums. Herkömmliche Wärmekraftmaschinen erreichen ähnliche Werte.

Bei dem thermoelektrischen Nanokraftwerk handelt es sich allerdings noch um ein Grundlagenexperiment. So betrug die Temperaturdifferenz zwischen den Reservoiren nur etwa ein Grad und die absoluten Temperaturen bewegten sich nahe dem absoluten Nullpunkt. Derart tiefgekühlt sind konkrete Anwendungen kaum möglich. Doch kann sich Linke vorstellen, dass sich mit diesem Prinzip wartungsfreie Nanokraftwerke konstruieren lassen, die etwa aufgeheizte Elektronen in Solarzellen oder Computerprozessoren nutzen. Mit der winzigen Stromausbeute ließen sich beispielsweise Sensoren oder Quantenschaltkreise betreiben.