Forschung -

Strom geht, Wärme steht

Ein neu entdeckter physikalischer Effekt ermöglicht elektrisch leitende Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit. Damit kann man Abwärme in Strom umwandeln.

Mit der Abwärme sowohl von technischen Geräten zu Hause als auch in großen Energieanlagen bleibt viel wertvolle Energie ungenutzt. Ein Teil davon könnte mithilfe des thermoelektrischen Effekts – aufgrund der Wärmedifferenz zwischen dem heißen Gerät und der kalten Umgebung – in nutzbaren elektrischen Strom umgewandelt werden. Allerdings braucht man dafür Materialien, die einerseits Strom gut leiten, andererseits aber relativ schlechte Wärmeleiter sind.

Als besonders vielversprechend erwiesen sich dafür Materialien mit Käfigstruktur, zu denen auch die an der TU Wien untersuchten Clathrate gehören. „Clathrate bestehen aus winzigen Gitterkäfigen, in denen einzelne Atome eingesperrt sind“, erklärt Professorin Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik. 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. „Man unterscheidet zwei Arten von Schwingungen“, sagt Bühler-Paschen. „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. 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.“

Matthias Ikeda stellte im Rahmen seiner Dissertation bei Silke Bühler-Paschen fest, dass es einer bestimmten Wechselwirkung zwischen diesen beiden Arten von Schwingungen zu verdanken ist, dass Clathrate so gute Wärmeisolatoren sind. Ganze Serien von Kristallen mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften wurden an der TU Wien hergestellt und sorgfältig vermessen. „Am Ende konnten wir nachweisen, was uns anfangs noch niemand glauben wollte: Es gibt hier einen bisher unbekannten physikalischen Effekt, der die Wärmeleitfähigkeit unterdrückt – wir bezeichnen ihn als Kondo-artige Phononenstreuung“, sagt Ikeda.

Aufgrund der Kristallstruktur schwingt ein Atom im Clathratkäfig bevorzugt in zwei bestimmten Richtungen. „Wenn jetzt eine Wärmewelle ankommt, kann sie für eine gewisse Zeit einen gebundenen Zustand mit einer solchen Schwingung eingehen. Die Wärmewelle ändert dabei die Schwingungsrichtung des Atoms im Clathratkäfig“, sagt Bühler-Paschen. Dadurch wird die Wärmewelle abgebremst, und genau das reduziert die Wärmeleitung. Obwohl Clathrate elektrischen Strom leiten, sind sie daher gute thermische Isolatoren.

Silke Bühler-Paschen sagt: „Mit unserem Konzept der Kondo-artigen Phononenstreuung kann man das Verhalten von Clathraten nun viel besser verstehen und damit auch gezielter daran arbeiten, die effizientesten Materialien für thermoelektrische Anwendungen zu finden.“

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