For­scher ent­de­cken einen phy­si­ka­li­schen Effekt, der elek­trisch lei­tende Mate­ria­lien mit extrem nied­ri­ger Wär­me­leit­fä­hig­keit ermög­licht. Damit wird auch die Umwand­lung von Abwärme in Strom möglich.

Bei sehr, sehr vie­len Pro­zes­sen geht tag­täg­lich wert­volle Ener­gie in Form von Abwärme ver­lo­ren. Das betrifft eine Viel­zahl an klei­ne­ren tech­ni­schen Gerä­ten in Eigen­hei­men und Fir­men und geht bis hin zu gro­ßen Ener­gie­an­la­gen im Bereich Indus­trie oder Infra­struk­tur. Einen Teil davon könnte mit­tels einer Art ther­mo­elek­tri­scher Effekt zurück­ge­won­nen wer­den. Dabei wird aus einer Wär­me­dif­fe­renz zwi­schen einem hei­ßen Gerät und der kal­ten Umge­bung direkt elek­tri­scher Strom gewon­nen. Aller­dings braucht es dafür Mate­ria­lien, die sowohl Strom gut lei­ten und gleich­zei­tig aber auch rela­tiv schlechte Wär­me­lei­ter sind.

Gefäng­nis­zel­len für Atome
Nach sol­chen Mate­ria­lien wird welt­weit gesucht. Als beson­ders viel­ver­spre­chend erwie­sen sich Mate­ria­lien mit Käfig­struk­tur, zu denen auch die aktu­ell an der TU Wien unter­such­ten soge­nann­ten Clath­rate gehö­ren. Nach umfang­rei­chen Unter­su­chun­gen wurde hier nun ein bemer­kens­wer­ter Effekt nach­ge­wie­sen, der die beson­ders nied­rige Wär­me­leit­fä­hig­keit die­ser Mate­ria­lien erklä­ren kann.
„Clath­rate sind Kris­talle mit einer ganz beson­de­ren Struk­tur. Sie bestehen aus win­zi­gen Git­ter­kä­fi­gen, in denen ein­zelne Atome ein­ge­sperrt sind“, erklärt Silke Büh­ler-Paschen vom Insti­tut für Fest­kör­per­phy­sik der TU Wien. Ein sol­ches Atom kann in sei­ner Ein­zel­zelle hin und her schwin­gen, es ist aber nicht fest in das Kris­tall­git­ter ein­ge­baut. Die Wärme in einem Fest­kör­per ist nichts ande­res als das Schwin­gen der Atome. Erwärmt man einen Kris­tall, wer­den die Schwin­gun­gen immer grö­ßer und hef­ti­ger, bis irgend­wann die Bin­dun­gen zwi­schen den Ato­men auf­ge­bro­chen wer­den und der Kris­tall schmilzt. 

Bis­her unbe­kann­ter phy­si­ka­li­scher Effekt
„Sind benach­barte Atome stark anein­an­der gebun­den, so über­trägt sich die Schwin­gung eines Atoms gleich auf den Nach­bar und eine Wär­me­welle brei­tet sich im Mate­rial aus. Je stär­ker die Kopp­lung zwi­schen den Ato­men, desto schnel­ler die Aus­brei­tung der Welle und desto grö­ßer die Wär­me­lei­tung“, erläu­tert Büh­ler-Paschen. Und : „Ist ein Atom jedoch nur sehr schwach an seine Nach­barn gebun­den, wie eben das Atom im Clath­rat­kä­fig, so schwingt es weit­ge­hend unab­hän­gig von den ande­ren und die Wär­me­welle ist extrem lang­sam“, ergänzt die Forscherin.
„Es gibt hier einen bis­her unbe­kann­ten phy­si­ka­li­schen Effekt, der die Wär­me­leit­fä­hig­keit unter­drückt – wir bezeich­nen ihn als Kondo-artige Pho­no­nen­streu­ung“, sagt Mat­thias Ikeda, der im Team von Büh­ler-Paschen umfang­rei­che Ver­suchs­an­ord­nun­gen durch­führte. „Die Wär­me­welle ändert dabei die Schwin­gungs­rich­tung des Atoms im Clath­rat­kä­fig“, sagt Silke Büh­ler-Paschen. „Dadurch wird die Wär­me­welle abge­bremst, und genau das redu­ziert die Wär­me­lei­tung. Obwohl Clath­rate elek­tri­schen Strom lei­ten, sind sie daher gute ther­mi­sche Iso­la­to­ren“, so die Forscherin.

Heiß und kalt
Genau diese Kom­bi­na­tion braucht es, um den ther­mo­elek­tri­schen Effekt groß­tech­nisch zu nut­zen. Etwas Hei­ßes wird mit­tels pas­sen­der Mate­ria­lien mit etwas Kal­tem ver­bun­den und dann kann der Ener­gie­fluss dazwi­schen direkt in elek­tri­schen Strom umge­wan­delt wer­den. Das Mate­rial muss einer­seits elek­tri­schen Strom lei­ten, gleich­zei­tig aber den Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied nicht durch Wär­me­lei­tung rasch aus­glei­chen, da der Effekt sonst nicht mehr genutzt wer­den kann.
„Das Pro­jekt war sehr auf­wän­dig, neben zahl­rei­chen Expe­ri­men­ten muss­ten auch umfang­rei­che Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen ent­wi­ckelt wer­den, um die quan­ten­phy­si­ka­li­schen Pro­zesse hin­ter die­sem Effekt zu ver­ste­hen“, sagt Silke Büh­ler-Paschen. „Mit unse­rem Kon­zept kann man das Ver­hal­ten von Clath­ra­ten nun viel bes­ser ver­ste­hen und damit auch geziel­ter daran arbei­ten, die effi­zi­en­tes­ten Mate­ria­lien für ther­mo­elek­tri­sche Anwen­dun­gen zu finden.“