Wie Thermoelektrika in die industrielle Praxis vordringen

Thermoelektrische Generatoren lassen sich auf Oberflächen abscheiden, um dort Abwärme zu ernten und in Strom umzuwandeln. Oder sie fungieren in umgekehrter Mission als Kühlelemente in Mikrochips. Dresdener Forscher haben dazu kreative Ideen.

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Wissenschaftler des Dresdner Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) wollen dünne organische Schichten auf warme Bauteiloberflächen anbringen, um dort künftig bisher vergeudete Abwärme in Strom umzuwandeln. Möglich macht dies der thermoelektrische Effekt, der den Zusammenhang zwischen elektrischer Potenzial- und Temperaturdifferenz und zwischen elektrischer Stromdichte und Wärmestromdichte in einem Material beschreibt. Thermoelektrische Materialien können Wärme in elektrische Energie umwandeln oder umgekehrt als Kühlelemente genutzt werden.

Grundsätzlich sind thermoelektrische Generatoren gut verstanden. So wird seit den 1960er Jahren die thermoelektrische Energierückgewinnung in der Raumfahrt praktisch genutzt. Und selbstverständlich sei die Technologie auch für den Fahrzeugbereich höchst interessant, kommentiert Springer-Autor Henry Kutz in "Der Verbrennungsmotor - ein Antrieb mit Vergangenheit und Zukunft". Lediglich der bislang geringe Wirkungsgrad von etwa fünf Prozent stehe einer großflächigen Einführung in den Markt derzeit entgegen (Seite 650). Gelänge es, diese Ausbeute deutlich zu steigern, ließen sich beispielsweise Motoren mit solchen thermoelektrischen Generatoren beschichten, um die heute mühsam weggekühlte Abwärme der Antriebsmaschinen elektrisch wiederzuverwerten. Je nach Anwendung macht man sich bei thermoelektrischen Vorgängen die Phänomene des Seebeck-, Peltier- und Thomson- Effektes zunutze, erklärt Springer-Autor Peter Wellmann in "Materialien der Elektronik und Energietechnik" (Seite 251): "In thermoelektrischen, elektrotechnischen Anwendungen spielen die Kontaktstelle zweier unterschiedlicher Metalle und die sich ausbildende Kontaktspannung eine wichtige Rolle. Auf der Materialseite stehen neben Metallen vor allem hochdotierte Halbleiter im Vordergrund."

Polymer statt Metall

Mit ihrer innovativen Polymer-Technologie möchten nun die IWS-Wissenschaftler Roman Tkachov und Lukas Stepien der Technologie zum Durchbruch verhelfen. In einem von den beiden entwickelten Verfahren setzen sie kleine Moleküle zu Polymeren zusammen, die negative Ladungsträger (Elektronen) transportieren können. Der Clou besteht darin, dass sich dieses Polymer anders als vergleichbare Polymere im flüssigen Zustand befindet. Damit lassen sich sehr dünne und glatte organische Funktionsschichten auf Oberflächen drucken beziehungsweise sprühen. "Wir wollen so thermoelektrische Generatoren konstruieren, die zum Beispiel Sensoren an schwer zugänglichen Stellen mit Energie versorgen, an denen ein Batteriewechsel nicht sinnvoll, nicht möglich oder sehr teuer ist", sagt Lukas Stepien. Speziell haben die beiden an warme Rohre gedacht, die nicht heißer als 100 Grad Celsius werden – bisher ist dies die Obergrenze für die untersuchten Polymere. "Diese Technologie wäre aber auch im Internet der Dinge nützlich", fügt Stepien hinzu: Sensoren und andere elektronische Bauelemente könnten mit thermoelektrischen Generatoren ihren elektrischen Energiebedarf selbst decken. Eine Stromversorgung von außen wäre dann nicht mehr notwendig, so die Zukunftsvision.

Thermoelektrische Kühlung

Auch Wissenschaftlerkollegen im unweit gelegenen Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) haben thermoelektrische Materialien fest im Blick. Ihnen geht es um die Funktion des Kühlens. Ein besonders attraktives Anwendungsgebiet von thermoelektrischen Materialien sei die Kühlung von mikroelektronischen Bauelementen, zum Beispiel in Prozessoren, oder das Wärmemanagement in Organimplantaten, heißt es in einer IFW-Mitteilung. Dazu müssten thermoelektrische Generatoren allerdings mit den Systemen der modernen Mikroelektronik kompatibel sein. Außerdem müsse sich der Herstellungsprozess in die etablierten Abläufe der Chipproduktion integrieren lassen. All das habe sich bisher allerdings als sehr schwierig erwiesen.

Schützende Goldschicht

Die Dresdener Wissenschaftler haben jetzt die Herstellung thermoelektrischer Bauelemente derart verbessern können, dass sie schnell, zuverlässig und in Mikrochips integrierbar sind, wie sie in einem Beitrag der Zeitschrift Nature Electronics berichten. Die Forscher fügten in den Abscheideprozess einer thermoelektrischen Bismut-Tellur-Verbindung eine Neuerung ein: Durch ein zusätzliches Goldelektrolytbad unmittelbar nach der Schichtabscheidung bildet sich eine schützende Goldschicht auf den thermoelektrischen Elementen. Diese Grenzfläche verringert den Widerstand zwischen dem thermoelektrischen Material und der Kontaktschicht erheblich, was sich sehr positiv auf die Effizienz und die Funktionsstabilität im Dauerversuch auswirkt. Die auf diese Weise hergestellten mikrothermoelektrischen Bauelemente haben sehr schnelle Reaktionszeiten von nur einer Millisekunde sowie eine hohe Zuverlässigkeit von mehr als 10 Millionen Zyklen und von über 30 Tagen stabiler Kühlleistung. Damit, so die Wissenschaftler, sei ein entscheidender Schritt hin zur breiten Anwendung von thermoelektrischen Bauteilen in der Mikrotechnologie gelungen.

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