Neue Klasse von thermoelektrischen Materialien entdeckt
Am Institut für Festkörperphysik der TU Wien wurde eine neue Klasse von thermoelektrischen Materialien entdeckt. Dank eines überraschenden physikalischen Effekts können sie zur effizienteren Erzeugung von Strom verwendet werden.
Wenn Maschinen heiß werden, wird oft viel Energie nutzlos an die Umgebung abgegeben. Ein Teil dieser Abwärme könnte mit Hilfe von thermoelektrischen Materialien wieder zurückgewonnen werden: Sie erzeugen eine elektrische Spannung, wenn man mit ihnen heiße und kalte Objekte verbindet. An der TU Wien konnte nun eine neue, deutlich effektivere Klasse solcher thermoelektrischer Materialien hergestellt werden. Der Trick liegt in der ganz besonderen Kristallstruktur und einem erstaunlichen neuen physikalischen Effekt: In unzähligen mikroskopisch kleinen Käfiggittern werden einzelne Cer-Atome gefangen gehalten. Das ständige Rütteln dieser eingesperrten magnetischen Atome am Kristall-Käfig scheint für die außerordentlich guten Materialeigenschaften verantwortlich zu sein.
Cer-Gefängnisse aus dem Spiegelofen
„Clathrate“ heißen die Kristallverbindungen, bei denen einzelne Gast-Atome in käfigartigen Hohlräumen eingesperrt sind. „Diese Clathrate zeigen ganz bemerkenswerte Wärme-Eigenschaften“, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Wie sich das Material genau verhält, hängt davon ab, wie die eingesperrten Einzelatome mit dem Gitterkäfig rundherum wechselwirken. „Wir hatten daher 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 Prof. Andrey Prokofiev (ebenfalls Festkörperphysik, TU Wien) das Kunststück, Clathrate aus Barium, Silizium und Gold herzustellen, die Cer-Atome enthalten.
Strom aus Hitze und Kälte
Das neue Material wurde dann auf seine Einsetzbarkeit als Thermoelektrikum überprüft. Mit Thermoelektrika verbindet man einen heißen mit einem kalten Bereich. „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% höhere Spannung erzielt werden kann – das neue Material hat eine extrem hohe Thermokraft. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit der 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.
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