Es gibt bereits Materialien, die aus Abwärme Strom erzeugen können. Bisher allerdings sind sie teuer, giftig und ineffektiv. Doch Wiener Forscher haben jetzt eine ganz neue Klasse dieser sogenannten thermoelektrischen Materialien entdeckt. Dank eines überraschenden physikalischen Effekts können sie zur effizienteren Erzeugung von Strom verwendet werden. Ihr Funktionsgeheimnis: eingesperrte Atome des Seltenerdmetalls Cer.
Wenn Maschinen heiß werden, wird oft viel Energie nutzlos an die Umgebung abgegeben. Ein Teil dieser Abwärme könnte mit Hilfe von sogenannten thermoelektrischen Materialien wieder zurückgewonnen werden: Sie erzeugen eine elektrische Spannung durch Temperaturunterschiede. Das Problem dabei: Bisher verwendete thermoelektrische Materialien sind meist aus teuren und zudem giftigen Stoffen aufgebaut und auch ihre Effektivität ist noch gering. Daher suchen Forscher weltweit nach besser geeigneten Substanzen mit den begehrten thermoelektrischen Eigenschaften.
Eingesperrte Atome
Wissenschaftler der TU Wien sind nun in dieser Hinsicht fündig geworden – bei den sogenannten Clathraten – Kristallverbindungen, bei denen einzelne Gast-Atome in käfigartigen Hohlräumen eingesperrt sind. „Diese Clathrate zeigen ganz bemerkenswerte Wärme-Eigenschaften“, sagt Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Wie sich das Material genau verhält, hängt allerdings davon ab, wie die eingesperrten Einzelatome mit dem Gitterkäfig rundherum wechselwirken.
„Wir hatten die Idee, Cer-Atome in die Käfige einzusperren, weil ihre magnetischen Eigenschaften ganz besondere Arten von Wechselwirkungen erwarten ließen“, erklärt Bühler-Paschen. Lange schien das unmöglich: Alle früheren Versuche, magnetische Atome wie das Selten-Erd-Metall Cer in solche Strukturen einzubauen, scheiterten. Mit Hilfe eines ausgeklügelten Kristallzuchtverfahrens in einem Spiegelofen gelang nun Andrey Prokofiev von der TU Wien das Kunststück, Clathrate aus Barium, Silizium und Gold herzustellen, die Cer-Atome enthalten.
Strom aus Hitze und Kälte
Als dies gelungen war, folgte der entscheidende Schritt: Die Forscher überprüften das neue Material auf seine Einsetzbarkeit als Thermoelektrikum. „Die thermische Bewegung der Elektronen im Material hängt von der Temperatur ab“, erklärt Bühler-Paschen. „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 Thermoelektrikums eine elektrische Spannung.“
Die Experimente zeigten, dass durch die eingesperrten Cer-Atome eine um 50 Prozent höhere Spannung erzielt werden kann als mit den bisher bekannten Thermoelektrika. Das neue Material hat damit eine extrem hohe Thermokraft. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit dieser Clathrate extrem gering. Auch das ist wichtig, sonst würden sich die unterschiedlichen Temperaturen auf beiden Seiten des Materials rasch angleichen, und schließlich würde keine elektrische Spannung mehr übrigbleiben.
Rütteln am Gitter
„Die Ursache für die außergewöhnlich guten Materialeigenschaften dürfte in einer bestimmten Art von Elektronen-Korrelation liegen – dem sogenannten Kondo-Effekt“, vermutet Bühler-Paschen: Die Elektronen der Cer-Atome sind mit den Kristallgitter-Atomen quantenmechanisch eng verbunden. Den Kondo-Effekt kannte man eigentlich aus der Tieftemperaturphysik, in der Gegend des absoluten Nullpunkts. Doch überraschenderweise spielen diese quantenphysikalischen Korrelationen im neuen Clathrat-Material auch bei hunderten Grad Celsius eine Rolle.
„Das Rütteln des eingesperrten Cer-Atoms am Gitter wird bei hoher Temperatur stärker“, erklärt Bühler-Paschen. „Und es ist genau dieses Rütteln, das den Kondo-Effekt bei hohen Temperaturen stabilisiert. Wir beobachten den heißesten Kondo-Effekt der Welt.“ Das Forschungsteam wird an der TU Wien nun versuchen, diesen neuen Effekt auch auf andere Clathrate zu übertragen. Um das Material industriell noch interessanter zu machen, könnte man vielleicht das teure Gold durch andere Metalle ersetzen – etwa durch Kupfer. Cer könnte durch Mischmetall, eine billige Mischung aus Selten-Erd-Elementen ersetzt werden.
Man darf sich also realistische Hoffnungen machen, dass solche maßgeschneiderten Clathrate in Zukunft industriell verwendet werden können, um aus Abwärme wertvolle elektrische Energie zurückzugewinnen.
(TU Wien, 23.09.2013 – NPO)
