Thermoelektrisches Material setzt Temperaturdifferenzen in eine elektrische Spannung um. Vor etwa zehn Jahren restrukturierte MIT-Professor Gang Chen mithilfe der Nanotechnologie eines dieser Materialien und verbesserte damit dessen thermoelektrische Effizienz erheblich.
Elektronenwanderung erzeugt Strom
GMZ Energy, ein Unternehmen, das von Professor Chen und seinem Kollegen Zhifeng Ren von der University of Houston gegrün-det wurde, entwickelte nunmehr mit dem neuen Verfahren einen thermoelektrischen Generator (TEG), der die Abwärme zum Beispiel von Fahrzeugen in Elektrizität umwandelt, die dem Fahrzeug wieder zugutekommen kann. Dieses Modul mit einer Bauhöhe von 6 mm benötigt eine Bodenfläche von etwa 7 cm2.
Wenn in einem TEG die Wärme die Modul-oberseite durchströmt, bewegt sich die Hitze durch das Halbleitermaterial innerhalb des Moduls zur kühleren Seite hin und erzeugt mit der Elektronenwanderung im Halbleitermaterial einen elektrischen Strom. Das TEG-Modul kann auf der heissen Seite Temperaturen bis etwa 600°C widerstehen, während auf der kühleren Seite etwa 100°C gemessen werden. Mit einem Gradienten von 500°C kann dann ein Modul mit 4 cm2 eine elektrische Leistung von 7,2 W abgeben.
Vor Kurzem erzielte GMZ mit einem grös-seren TEG eine Energieausbeute von 200 W. Ein erstes Ziel des Unternehmens ist die Integration von mehreren 200-W-TEGs in ein Bradley Fighting Vehicle, ein amerikanisches Militärfahrzeug.
Der thermoelektrische Effekt
Das Konzept der Thermoelektrik ist bereits seit 1821 bekannt. Der thermoelektrische Effekt wurde nach seinem Entdecker Thomas Seebeck benannt. Erhitzt man das eine Ende eines leitenden Materials – wie bei einem Halbleiter –, wandern die Elektronen zum kühleren Ende und erzeugen so einen elektrischen Strom. Legt man aber einen Strom an das Material, wird die Wärme vom heis-sen zum kühlen Ende transportiert. Erst in den vergangenen 90er-Jahren restrukturierte man am MIT unter Leitung von Professorin Mildred Dresselhaus thermoelektrische Materialien mithilfe der Nanotechnologie, um die Effizienz zu erhöhen.
2008 erreichten die Professoren Chen und Dresselhaus einen weiteren Meilenstein in ihrer Forschung: Sie erzielten mit einem günstigen Herstellungsprozess eine 40-prozentige Effizienzsteigerung mit Bismut-Antimon-Tellurid. Damals zermahlte man die- ses Material in feinen Staub und rekonstituierte es in Bulkform mit Körnern und Unregelmässigkeiten, die den Durchgang von Photonen erheblich verlangsamten. Damit wurden die Leckagen unter Kontrolle gebracht und der freie Elektronenfluss blieb so erhalten.
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