Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Es rappelt im Kristall!

19.09.2007
Jülicher Physiker entschlüsseln einen Faktor für effiziente Thermoelektrizität

Rappelnde Atompaare verringern die Wärmeleitfähigkeit kristalliner Materialien besonders gut, fanden Physiker des Forschungszentrums Jülich heraus. Schwere, in Kristallen frei schwingende, hantelförmige Gebilde könnten eine Schlüsselfunktion einnehmen bei der Entwicklung von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit.

Damit ließe sich der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren steigern, die aus Temperaturdifferenzen Strom herstellen. Bisher ungenutzte Abwärme könnte so zunehmend wirtschaftlich interessant werden. Die Ergebnisse werden in der kommenden Ausgabe der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht und sind bereits vorab online einsehbar.

„Unsere Erkenntnisse öffnen ganz neue Wege auf der Suche nach immer effizienteren thermoelektrischen Materialien“, freuen sich Dr. Werner Schweika und Dr. Raphaël Hermann vom Jülicher Institut für Festkörperforschung. Das Ziel ist klar: Abwärme, die heute noch ungenutzt verloren geht, etwa in Müllverbrennungsanlagen, Kraftfahrzeugen oder Blockheizkraftwerken, so vollständig wie möglich zur Energierückgewinnung zu nutzen, um gleichzeitig zum Klimaschutz beizutragen.

... mehr zu:
»Atom »Wärme »Wärmeleitfähigkeit

Thermoelektrische Materialen erzeugen eine elektrische Spannung, wenn sie einem Temperaturgefälle ausgesetzt sind. Dieses Phänomen wird in thermoelektrischen Generatoren genutzt, um elektrische Energie zu produzieren.

Noch ist der Wirkungsgrad der Materialien bei der Umwandlung in Strom recht schlecht und liegt bei maximal 8 Prozent. Zum Vergleich: Kohlekraftwerke haben einen Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent.

Das begrenzt den Einsatz der Generatoren bisher auf spezielle Anwendungen, etwa in der Raumfahrt.

Um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, sind Materialen nötig, die elektrischen Strom gut leiten, Wärme dagegen schlecht. Die Herausforderung besteht darin, dass gute Stromleiter in der Regel ebenso gute Wärmeleiter sind. Solche Materialien zeichnen sich auf atomarer Ebene durch eine regelmäßige Gitterstruktur aus. Elektrizität breitet sich darin in Form von Elektronenströmen aus, Wärme in Form von Gitterschwingungen, die sich wellenförmig durch das Material bewegen.

Unregelmäßigkeiten in der Gitterstruktur, etwa fehlende Atome, können zwar die Wärmeleitfähigkeit verringern, beeinträchtigen aber auch die elektrische Leitfähigkeit.

Schweika und Hermann haben nun entschlüsselt, wie der atomare Bauplan eines altbekannten guten thermoelektrischen Materials die Kombination der scheinbar unvereinbaren Eigenschaften ermöglicht.

Die Jülicher Forscher haben mit Hilfe von Neutronenstreuexperimenten und Wärmekapazitätsmessungen die Ursache für die geringe Wärmeleitfähigkeit einer Zinkantimon-Legierung untersucht. Dabei stießen sie auf eine bisher unbekannte Form so genannter dynamischer Unordnung, die die Ausbreitung von Wärme in diesem Halbmetall behindert: Zinkantimon hat eine regelmäßige Kristallstruktur, in der atomare Hanteln mit relativ großem Gewicht lose eingebettet sind. Wenn Wärmewellen durch das Material wandern, werden auch die Hanteln in Schwingung versetzt. Auf die Wärmewellen hat das einen ähnlich störenden Effekt wie Wellenbrecher vor einer Küste auf das Meerwasser. Der Clou: Die elektrische Leitfähigkeit wird nicht behindert.

Bereits 2003 konnte Hermann nachweisen, dass einzelne Atome, eingefangen in kristallinen Käfigstrukturen, unabhängig von den Kristallgittern schwingen und die Wärmeleitfähigkeit verringern. Jetzt erbrachten er und seine Kollegen den Beweis, dass käfigartige Strukturen keine Voraussetzung für solche lokalisierten Schwingungen sind.

Veröffentlichungen:

* Dumbbell rattling in thermoelectric zinc-antimony; W. Schweika, R. P. Hermann, M. Prager, J. Persson, V. Keppens; Phys. Rev. Lett. 99, No 12 (2007)

* Einstein Oscillators in Thallium Filled Antimony Skutterudites; R. P. Hermann, R. Jin, W. Schweika, F. Grandjean, D. Mandrus, B. C. Sales, and G. J. Long; Phys. Rev. Lett. 90, 135505 (2003)

Neutronenstreuung in der Forschung:
Neutronen sind elektrisch neutrale Bausteine der Atomkerne. Sie werden in Forschungsreaktoren oder Spallationsneutronenquellen erzeugt und auf die zu untersuchenden Proben gelenkt. An den Atomen und Molekülen der Proben "prallen" sie ab; dabei können sie ihre Richtung und Geschwindigkeit ändern. Die Art dieser "Streuung" gibt Auskunft über die Anordnung und Bewegung der Atome in der Probe.
Anwendungen der Thermoelektrizität:
Die wichtigsten thermoelektrischen Phänomene wurden in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts von Thomas Seebeck und Jean Peltier entdeckt. Der Seebeck-Effekt beschreibt die Entstehung einer elektrischen Spannung entlang eines Temperaturgradienten über zwei unterschiedlichen miteinander verbundenen Halbleitern, der Peltier-Effekt die Entwicklung von Wärme oder Kälte an der Verbindungsstelle zweier unterschiedlicher Halbleiter, wenn Strom hindurchfließt. Die Effekte können technisch genutzt werden, um mit thermoelektrischen Generatoren und Thermoelementen Strom zu erzeugen, Temperaturen zu messen und zu kühlen.
Solche Vorrichtungen sind kompakt, leise und verschleißfrei, da sie keine beweglichen Teile enthalten. Trotz dieser Vorteile ist die Anwendung zur Energiegewinnung bisher Nischen vorbehalten, etwa der Stromversorgung von Raumschiffen auf Missionen zu den äußeren Planeten unseres Sonnensystems, wo nicht genügend Licht für Solarenergie vorhanden ist.

Energiequelle ist in diesen Fällen das Wärmegefälle zwischen einer radioaktiven Hitzequelle im Raumschiff und der Kälte des Weltraums. Peltier-Elemente werden zur Kühlung etwa in Kühlboxen eingesetzt.

Das größte Hindernis für eine weite Verbreitung thermoelektrischer Energierückgewinnung ist der zu geringe Wirkungsgrad der bisher bekannten Materialien. Doch das Interesse an effizienten Systemen ist groß. Im Fokus sind zum Beispiel Autos. Ihr Bedarf an Elektrizität wächst stetig, und derzeitige Verbrennungsmotoren nutzen nur 25 Prozent der eingesetzten Energie für Fortbewegung und Zubehör.

Links:
Forschungszentrum Jülich:
http://www.fz-juelich.de/portal/index.php?path=angebote/pressemitteilungen
Institut für Festkörperforschung (IFF):
http://www.fz-juelich.de/iff/index.php
IFF-Bereich Streumethoden:
http://www.fz-juelich.de/iff/d_ism
Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich, Institut für Festkörperforschung, 52425 Jülich, Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Angela Wenzik | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Berichte zu: Atom Wärme Wärmeleitfähigkeit

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt
22.05.2017 | Universität Basel

nachricht Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert
22.05.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie