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Laufen heiß und kalt
Institutsprofessorin Mildred S. Dresselhaus will einer Idee des 19. Jahrhunderts eine neue Wendung geben. Seit fast 200 Jahren wissen Wissenschaftler um den thermoelektrischen Effekt: Bestimmte Materialien erzeugen eine elektrische Spannung, wenn ihre Temperatur auf beiden Seiten unterschiedlich ist. Und wenn sie an eine Spannung angelegt werden, erwärmen sie sich auf der einen Seite und werden auf der anderen kälter. Die Herstellung von Materialien mit diesen Eigenschaften war jedoch schon immer eine Herausforderung: Die meisten Materialien, die Strom leiten, leiten auch Wärme, sodass sich ihre Temperatur schnell ausgleicht. Dies macht sie bei der Stromerzeugung ineffizient und für die meisten Heiz- oder Kühlanwendungen unpraktisch.
Dresselhaus, die die Physik nanoskaliger Festkörper erforscht, sagt jedoch, dass thermoelektrische Geräte praktikabel werden, wenn neue nanostrukturierte Materialien, die sie und andere im Labor entwickeln, kommerzialisiert werden. Zusammen mit Gang Chen vom MIT, Zhifeng Ren vom Boston College und Jean-Pierre Fleurial vom Jet Propulsion Laboratory der NASA manipuliert Dresselhaus die Energietransporteigenschaften von Materialien auf der Nanoskala, um gute elektrische Leiter zu entwickeln, die schlechte Wärmeleiter sind. Durch die Arbeit mit Verbundwerkstoffen aus komplementären halbleitenden Materialien wie Wismuttellurid und Siliziumgermanium hoffen die Forscher, thermoelektrische Materialien doppelt so effizient wie ihre herkömmlichen Gegenstücke herzustellen.
Bestehende thermoelektrische Materialien haben bereits einige Anwendungen, wie zum Beispiel individuell temperierte Autositze, die bei Kälte effizient aufgewärmt oder bei Schweiß gekühlt werden können. Das System eines in Michigan ansässigen Unternehmens steigert sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch den Komfort: Wer auf einem kühlen Sitz sitzt, braucht weniger Klimaanlage, betont Dresselhaus. Noch besser wären aber Anwendungen, die Abwärme – etwa aus dem Auspuff eines Autos – auffangen und in Strom umwandeln. Wir alle machen uns Sorgen um nachhaltige Energie, sagt sie. Wenn wir Abwärme recyceln könnten, um Energie zu erzeugen, könnten wir sie für etwas Nützliches nutzen.
Die aktuelle Herausforderung besteht darin, Nanopartikel in Strukturen einzubauen, die groß genug sind, um sie in ein System im menschlichen Maßstab einzufügen. Dazu presst Dresselhaus Silizium- und Germanium-Nanopartikel in eine Form, erhitzt und kühlt sie dann schnell im Vakuum ab, um sie zu millimetergroßen Riegeln zu verdichten. Indem sie kleine Partikel unterschiedlicher Zusammensetzung und Größe zusammendrückt, vergrößert sie die Oberfläche innerhalb des Materials, wodurch ein Hindernisparcours aus internen nanoskaligen Unterstrukturen entsteht, die die Wärmeübertragung verlangsamen und gleichzeitig elektrische Energie durchlassen.
Die neuen Materialien könnten Forschern dabei helfen, Kühlsysteme in Mikrochips einzubauen, auf Freon basierende HLK-Systeme in Fahrzeugen zu ersetzen, Automotoren effizienter zu machen und die Effizienz der Photovoltaik durch Nutzung von Sonnenwärme und Licht zu verbessern. Wenn wir verbesserte Materialien hätten, die billig und in großen Mengen produziert werden könnten, könnte die Thermoelektrik-Industrie sicherlich schneller vorankommen, sagt Dresselhaus. Es wird nicht bei Autositzen enden.