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Spiegel online 03.02.08

ENERGIE
Wettlauf um Strom aus Wärme
Von Gregor Honsel

Mit Thermo-Generatoren lässt sich aus Wärme Strom gewinnen. Nach 50 Jahren des Stillstands ist es Forschern gelungen, den Wirkungsgrad der Generatoren zu verdreifachen. Jetzt läuft der Rennen um die erste marktreife Anwendung.

Thermoelektrische Elemente haben es weit gebracht - so etwa an Bord der Raumsonde "Voyager 1" runde 15 Milliarden Kilometer ins Weltall, wo sie seit 20 Jahren zuverlässig die Wärme von zerfallenden Radioisotopen in Strom verwandeln. Auch für viele irdische Anwendungen wären solche Thermoelektrischen Generatoren (TEG), die schon relativ geringe Temperaturdifferenzen in elektrische Energie verwandeln können, ideal. Doch bisher war ihr Wirkungsgrad zu niedrig und ihre Herstellung zu aufwendig für eine breitere Nutzung.

Das wird sich in absehbarer Zeit ändern. Forscher konnten im Labor bereits die fast fünfzig Jahre lang stagnierende Effizienz von TEGs mehr als verdreifachen. Nun hat ein weltweites Wettrennen begonnen, diese Erkenntnisse auf die Produktion im großtechnischen Maßstab zu übertragen. "Wem das zuerst gelingt, der kann sich eine goldene Nase verdienen", sagt Harald Böttner, Leiter der Abteilung für Thermoelektrische Systeme am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg.

Die Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom beruht auf dem sogenannten Seebeck-Effekt: Elektronen werden unter Wärme beweglicher, zwischen warmem und kaltem Ende eines Metalls oder eines Halbleiters entsteht also eine unterschiedliche Elektronenkonzentration. Wie effizient ein Material Wärme in Strom umwandelt, wird mit dem ZT-Wert angegeben. Er hängt von einem für jede Verbindung spezifischen Seebeck-Koeffizienten S, der thermischen Leitfähigkeit k (Kappa) und dem elektrischen Leitwert o (Sigma) ab und errechnet sich nach der Formel S2o/k.

Jahrzehntelang stagnierte der ZT-Wert bei 1, doch zuletzt konnten Forscher ihn bis auf etwa 3,5 verbessern. Dazu mussten sie, wie es Böttner formuliert, "die Physik austricksen". Denn für einen guten Wirkungsgrad muss die thermische Leitfähigkeit klein, die elektrische aber groß sein - und beide sind eng miteinander verkoppelt. Den Durchbruch brachte Anfang dieses Jahrzehnts die Nanotechnologie. Beim heute am meisten verfolgten Ansatz werden Nanometer-dünne Lagen aus thermoelektrisch unterschiedlich aktivem Material aufeinandergelegt. Die dadurch entstehenden Grenzflächen behindern den Wärmetransport, nicht aber den Strom.
 
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