{"id":83686,"date":"2022-07-09T02:33:00","date_gmt":"2022-07-09T00:33:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=83686"},"modified":"2022-07-08T15:34:04","modified_gmt":"2022-07-08T13:34:04","slug":"stromgewinnung-aus-waerme","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/stromgewinnung-aus-waerme\/","title":{"rendered":"Stromgewinnung aus W\u00e4rme"},"content":{"rendered":"\n
Forschende der TU Wien haben ein neues Konzept entwickelt, um W\u00e4rmeenergie effizienter in elektrische Energie umzuwandeln. Energieverluste k\u00f6nnen so minimiert werden.<\/p>\n\n\n\n
Bei der Umwandlung von Energie geht viel W\u00e4rme verloren. Sch\u00e4tzungen zufolge sogar mehr als 70 %. In thermoelektrischen Materialien, wie sie am Institut f\u00fcr Festk\u00f6rperphysik der TU Wien untersucht werden, kann W\u00e4rme jedoch direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Diesen Effekt (Seebeck-Effekt) kann man sich in zahlreichen Anwendungen in der Industrie aber auch im Alltag zu Nutze machen.<\/p>\n\n\n\n
K\u00fcrzlich machte das Forschungsteam um Ernst Bauer eine spannende Entdeckung in einem Thermoelektrikum, das aus Eisen, Vanadium und Aluminium (Fe2<\/sub>VAl) besteht. Die Ergebnisse publizierten die Forschenden j\u00fcngst in der renommierten Fachzeitschrift \u201eNature Communications\u201c.<\/p>\n\n\n\n
Das ideale Thermoelektrikum<\/h5>\n\n\n\n
Um einen m\u00f6glichst gro\u00dfen Energieumwandlungs-Effekt zu erzielen, suchen Forschende nach Materialien, die eine Reihe von Eigenschaften erf\u00fcllen: Sie sollten einen gro\u00dfen Seebeck-Effekt, eine hohe elektrische Leitf\u00e4higkeit und eine geringe W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit aufweisen. Dies ist jedoch \u00e4u\u00dferst schwierig, da die Eigenschaften miteinander verkn\u00fcpft sind und voneinander abh\u00e4ngen. Daher stellten sich die Forschenden die Frage, wie ein Material physikalisch aussehen m\u00fcsste, damit es all diese Bedingungen bestm\u00f6glich erf\u00fcllt.<\/p>\n\n\n\n
So ist es Physikern der TU Wien gelungen, ein neues Konzept zu finden, um diesen Widerspruch aufzul\u00f6sen und alle thermoelektrischen Eigenschaften in einem Material gleichzeitig zu optimieren. \u201eAm sogenannten Anderson-\u00dcbergang, einem Quantenphasen\u00fcbergang von lokalisierten zu beweglichen Elektronenzust\u00e4nden, sind die Bedingungen f\u00fcr das ideale Thermoelektrikum gegeben. Das bedeutet, alle leitf\u00e4higen Elektronen haben ungef\u00e4hr dieselbe Energie\u201c, berichtet Fabian Garmroudi, Erstautor der Studie. <\/p>\n\n\n\n
Der Anderson-\u00dcbergang findet statt, wenn in einem Halbleiter Fremdatome hinzugef\u00fcgt werden, welche ihre Elektronen stark an sich binden. \u201eAnalog zu Eisschollen im Meer, sind diese zuerst voneinander isoliert und k\u00f6nnen nicht betreten werden. Wenn jedoch die Anzahl der Eisschollen gro\u00df genug ist, hat man eine durchgehende Verbindung, \u00fcber die man das Meer \u00fcberqueren kann\u201c, zieht Fabian Garmroudi einen Vergleich. \u00c4hnlich geschieht dies auch im Festk\u00f6rper: \u00dcberschreitet die Anzahl der Fremdatome einen kritischen Wert, k\u00f6nnen sich die Elektronen pl\u00f6tzlich frei von einem Atom zum anderen bewegen und Strom kann flie\u00dfen.<\/p>\n\n\n\n
Atome tauschen Platz, wenn es hei\u00df wird<\/h5>\n\n\n\n
Der Anderson-\u00dcbergang konnte in enger Zusammenarbeit mit Forschenden aus Schweden und Japan sowie der Universit\u00e4t Wien nachgewiesen und erstmals mit einer signifikanten Ver\u00e4nderung der thermoelektrischen Eigenschaften in Verbindung gebracht werden. Die spannende Entdeckung machte das Team, als sie das Material auf sehr hohe Temperaturen, nahe des Schmelzpunktes, erhitzten.<\/p>\n\n\n\n
\u201eBei hohen Temperaturen schwingen die Atome so stark, dass sie gelegentlich ihre Gitterpl\u00e4tze vertauschen. Beispielsweise befinden sich Eisen-Atome dann dort, wo vorher Vanadium-Atome gewesen sind. Uns gelang es, dieses \u201aatomare Durcheinander\u2018, welches bei hohen Temperaturen auftritt, durch sogenanntes \u201aQuenchen\u2018, also dem raschen Abk\u00fchlen in einem Wasserbad, einzufrieren\u201c, berichtet Ernst Bauer. Diese unregelm\u00e4\u00dfigen Defekte erf\u00fcllen genau denselben Zweck wie die vorhin erw\u00e4hnten Fremdatome, ohne dass die chemische Zusammensetzung des Materials daf\u00fcr ver\u00e4ndert werden muss.<\/p>\n\n\n\n
Energieumwandlung dank Unordnung<\/h5>\n\n\n\n
In vielen Forschungsbereichen der Festk\u00f6rperphysik ist man an m\u00f6glichst reinen Materialien mit idealer Kristallstruktur interessiert. Der Grund: Die Regelm\u00e4\u00dfigkeit der Atome vereinfacht eine theoretische Beschreibung der physikalischen Eigenschaften. Im Fall von Fe2<\/sub>VAl sind es jedoch gerade die Fehlstellen (die Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten), die den Gro\u00dfteil der thermoelektrischen Performance ausmachen. Auch in benachbarten Disziplinen hat sich bereits gezeigt, dass Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten von Vorteil sein k\u00f6nnen: \u201eDie Grundlagenforschung an Quantenmaterialien ist ein gutes Beispiel hierf\u00fcr. Dort konnte die Wissenschaft bereits zeigen, dass Unordnung oft die notwendige W\u00fcrze in der \u201aQuantensuppe\u2018 ist\u201c, sagt Andrej Pustogow, einer der Co-Autoren und berichtet: \u201eNun ist dieses Konzept auch in der angewandten Festk\u00f6rperforschung angekommen.\u201c<\/p>\n\n\n\n