Extrem hoher Wirkungsgrad – Strom aus eingesperrten Atomen

Autor: Gute Nachrichten am 30. September 2013 

Dass es Materialien gibt, mit denen man aus Abwärme Strom erzeugen kann, ist schon länger bekannt. Diese sind jedoch giftig und teuer und haben einen sehr geringen Wirkungsgrad.

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Kristalle können unter bestimmten Bedingungen als Thermoelektrika eingesetzt werden.
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Wenn Maschinen laufen, werden diese heiß und geben sehr viel Wärme nutzlos an ihre Umgebung ab. Man kann einen Teil dieser Abwärme mit sogenannten thermoelektrischen  Materialien wieder in Form von elektrischer Energie zurückgewinnen. Diese Materialien haben die Eigenschaft, eine elektrische Spannung durch Temperaturunterschiede zu erzeugen. Aus dem Physikunterricht weiß der eine oder der andere noch, dass immer dann, wenn eine elektrische Spannung vorhanden ist, ein elektrischer Strom fließen kann. Man hat bisher jedoch ein großes Problem mit diesen thermoelektrischen Stoffen, dass diese teuer und sehr giftig sind.

Wissenschaftler der Technischen Universität Wien haben ein Material entdeckt, dass genau diese negativen Merkmale nicht hat. Gefunden hat man diesen Effekt bei den Clathraten, das sind Kristallverbindungen, bei denen Gast-Atome in Hohlräumen eingesperrt sind. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik an der TU Wien sagt: "Diese Clathrate zeigen ganz bemerkenswerte Wärme-Eigenschaften. Wir hatten die Idee, Cer-Atome in die Käfige einzusperren, weil ihre magnetischen Eigenschaften ganz besondere Arten von Wechselwirkungen erwarten ließen." Lange scheiterten die Versuche, die Cer-Atome "einzusperren", bis Andrey Prokofiev von der TU Wien das Kunststück gelang, mittels eines besonderen Kristallzuchtverfahrens in einem Spiegelofen Clathrate aus Barium, Silizium und Gold herzustellen, die Cer-Atome enthalten. Danach überprüften die Forscher diese Anordnung auf ihre Eignung als Thermoelektrikum. Bühler-Paschen erklärt dazu: "Auf der heißen Seite des Materials bewegen sich die Elektronen stärker als auf der kalten, wodurch sie zur kalten Seite diffundieren. So entsteht zwischen den beiden Seiten des Thermoeletrikums eine elektrische Spannung."

Bei den Experimenten zeigte sich, dass die eingesperrten Cer-Atome eine um 50 Prozent höhere Spannung erzeugten als mit den bisher bekannten Thermoelektrika. Damit hat das neue Material einen extrem hohen Wirkungsgrad. Bühler-Paschen vermutet: "Die Ursache für die außergewöhnlich guten Materialeigenschaften dürfte in einer bestimmten Art von Elektronen-Korrelation liegen – dem sogenannten Kondo-Effekt." Diesen Effekt kannte man bislang nur aus der Tieftemperaturphysik, also aus der Gegend des absoluten Nullpunkts, der bei minus 273 Grad Celsius liegt. Zur Überraschung der Physiker spielt der Kondo-Effekt beim neuen Clathrat-Material auch bei hunderten Grad Celsius eine wichtige Rolle. Bühler-Paschen erläutert: "Das Rütteln des eingesperrten Cer-Atoms am Gitter wird bei hoher Temperatur stärker. Und es ist genau dieses Rüttlen, das den Kondo-Effekt bei hohen Temperaturen stabilisiert. Wir beobachten den heißesten Kondo-Effekt der Welt." Man forscht nun in Wien weiter, um das teure Gold etwa durch Kupfer zu ersetzen. Cer möchte man durch ein billigeres Misch-Metall aus mehreren Selten-Erd-Elementen ersetzen.

Die Zukunftsaussichten für maßgeschneiderte Clathrate, die industriell verwendet werden können, sind gut. Damit kann man dann aus Abwärme preiswert wertvolle elektrische Energie gewinnen.

 

Quelle: scinexx.de; tuwien.ac.at

Kategorien: Technik Rubriken: Alternative Energien
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