Abwärme als Stromquelle: Forschende haben ein Material entwickelt, das neue Optionen für die Gewinnung von Strom aus Wärme bietet. Das aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel bestehende Mineral besitzt eine Mikrostruktur, die seine Elektronen beweglich macht und ihm vielversprechende thermoelektrische Eigenschaften verleiht. Zudem besteht dieses thermoelektrische Material aus ungiftigen, reichlich verfügbaren Elementen und kann leicht erzeugt werden.
Thermoelektrische Materialien können Wärme in elektrischen Strom umwandeln – und so beispielsweise die Abwärme von Industrieanlagen oder Kraftwerken zur Energiegewinnung nutzen. Weil diese Materialien eine geringe thermische, aber hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, entstehen in ihnen lokale Temperaturunterschiede, durch die Elektronen mobilisiert werden. Dies erzeugt eine elektrische Spannung. Viele bisher getestete Feststoffe enthalten allerdings teure und giftige Elemente wie etwa Blei und Tellur – diese weisen den höchsten Wirkungsgrad auf.
Zusätzliches Kupfer verändert Kristallstruktur
Ein neues, reichlich verfügbares und ungiftiges thermoelektrisches Material hat nun ein Team unter Leitung von Emmanuel Guilmeau vom CRISMAT-Labor im französischen Caen entwickelt. Sie hatten Derivate von natürlichen, schwefelhaltigen Kupfermineralen als mögliche Kandidaten untersucht. Diese Minerale enthalten Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel und bestehen damit im Wesentlichen aus nicht giftigen, häufig in der Erdkruste vorkommenden Elementen.
Um die von Natur aus eher schwachen thermoelektrischen Eigenschaften zu verstärken, ersetzten die Forschenden einen kleinen Anteil des natürlich in diesem Mineral enthaltenen Mangans durch Kupfer. Wie Analysen ergaben, veränderte dies die Kristallstruktur des Minerals: Es bildeten sich komplexe Mikrostrukturen aus ineinander verschachtelten Nanodomänen, Defekten und elektronisch gleichartigen Grenzflächen. Dadurch vereinte dieses nun synthetische Mineral nun
zwei Kristallstrukturen im selben Material.
