Aus Warm und Kalt wird Strom

Johannes de Boor ist überzeugt, dass Thermoelektrika sich als zuverlässige Energiequelle etablieren werden. „Wir wissen aus Anwendungen in der Raumfahrt, dass die Stromerzeugung auch unter rauen Bedingungen dauerhaft stabil bleibt“, sagt er. Das beweisen der Marsroboter „Curiosity“ und die beiden „Voyager“-Sonden, die seit 1977 unterwegs sind und das Sonnensystem inzwischen verlassen haben. Die Energie für die Systeme und den Funkkontakt zur Erde erzeugen Module aus Bismuttellurid. Sie verwandeln die Wärme aus dem Zerfall von radioaktivem Plutonium an Bord der Sonde in elektrischen Strom.

Reibungswärme beim Raketenflug

Als robust haben sich auch die für einen Sensorknoten entwickelten Module des DLR erwiesen, die im November 2024 mit der Forschungsrakete „Mapheus-15“ in Nordschweden starteten und danach eine Höhe von mehr als 300 Kilometern erreichten. Sie erfüllten bei diesem suborbitalen Flug vom Start bis zur Rückkehr der Rakete zur Erde ihren Dienst. „Durch die Reibung wird die Außenhaut heiß, wir haben diesen Temperaturunterschied genutzt, um in der Rakete Daten zu sammeln“, berichtet der Forscher. Dieses Konzept ließe sich auch in der Luftfahrt nutzen. Wenn Sensoren an der kalten Außenhaut eines Flugzeugs ihre Energie aus Thermoelektrika beziehen würden, müssten die Flugzeugbauer weniger Kabel in den Maschinen verlegen.

Die Liste der Beispiele ist lang und die Forschung dazu findet international statt. Wissenschaftler der University of Texas und Forscher in China haben elektrischen Strom aus einem Straßenbelag gewonnen, der sich durch das Sonnenlicht gegenüber dem Untergrund aufgeheizt hatte. Sie betteten die thermoelektrischen Materialien zwei Zentimeter unter der Asphaltschicht ein und konnten damit kleine LED-Leuchten betreiben. Und die Technik stellt noch mehr Strom zur Verfügung, wenn der Generator etwa in einem Brückenbauwerk aus dem Asphalt heraus nach unten in die kältere Umgebungsluft ragt.

Eine iranische Forschergruppe hat die Technik in Kontrollsensoren entlang der Verteilstationen in einer Gaspipeline verbaut. Anders als am Vulkan oder im Asphalt, betrug die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren der Pipeline weniger als vier Grad Celsius. Doch selbst dieser geringe Unterschied genügte für die Versorgung der Sensoren mit elektrischem Strom. Die Forscher haben berechnet, dass sich die Mehrkosten für die Nutzung der Thermoelektrik bereits rentieren, wenn die in den Kontrollsensoren verwendeten Batterien das zweite Mal gewechselt werden müssen.

Auch die Körperwärme des Menschen kann für thermoelektrische Materialien als Energiequelle dienen. Der Uhrenhersteller Seiko brachte um die Jahrtausendwende die erste Smartwatch auf den Markt, deren Batterie mit elektrischem Strom aus dem Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse der Uhr und der menschlichen Haut geladen wurde. Damit wurde eine alte Idee von Siemens-Ingenieuren aus den 1950er-Jahren aufgriffen, die Uhren und sogar einen Herzschrittmacher mit Körperwärme betreiben wollten.

Der menschliche Körper als Energiequelle

Wissenschaftler am belgischen Forschungszentrum für Nano- und Mikroelektronik IMEC haben Kleidungsstücke entwickelt, die Sensoren zur Messung des Herzschlags und Sauerstoffgehalts des Bluts mit Energie versorgen sollten. Doch die Technik konnte sich im Alltagsgebrauch nicht durchsetzen, weil damit ausgestattete Produkte bei Bewegung oft den direkten Kontakt zur Haut verloren oder als unangenehm empfunden wurden.

Dieses Problem hat etliche Forschungsteams weltweit angespornt. Die starren Materialien der Thermoelektrika sollten geschmeidiger werden, um sich so besser an die Bewegung der Haut anpassen zu können. Inzwischen haben die Wissenschaftler eine Lösung gefunden: Sie verringerten die Größe der einzelnen Module auf weniger als einen Millimeter und konnten sie dadurch in ein Gewebe einbinden, das sich an die Haut anschmiegt. Die thermoelektrischen Eigenschaften haben sich durch die Strategie der Miniaturisierung sogar noch verbessert.

In vielen Labors in Asien, den USA und Europa werden pflasterartige Batterien bereits von Versuchspersonen getestet, aber bisher muss der Temperaturunterschied zwischen der Körperwärme und der Umgebung noch recht groß sein, damit die Stromversorgung über längere Zeit funktioniert. Und die Technologie-Tester dürfen keine Kleidung über der Thermobatterie tragen. Denn wenn sich die Temperaturen des Pflasters und der Haut aneinander angleichen, bricht der Stromfluss zusammen.

Erst einmal kleine Brötchen backen

Der Start in Nischenanwendungen ist für die Einführung einer neuen Technik nicht ungewöhnlich. Der Vergleich von Strom aus Wärme mit Strom aus Sonne zeigt viele Parallelen auf. Auch die ersten Fotovoltaikmodule wurden für Spezialaufgaben gestaltet. Erst in den 1990er-Jahren begann die staatliche Förderung für elektrischen Strom aus Sonne auf Dachflächen – eine heute selbstverständliche Anwendung. Auch bei der Fotovoltaik suchten die Entwickler für ihre frühen Prototypen aus dem Labor rasch nach praktischen Anwendungen. „Eine enge Zusammenarbeit mit der Industrie kann die Entwicklung von thermoelektrischen Modulen stark beschleunigen“, ist Vicente Pacheco überzeugt.

Und sie zeigt schnell, ob ein neuer Werkstoff weitere Entwicklungsarbeit lohnt. Manche Materialien, die im Labor gute Messwerte zeigen, scheitern als Modul im Praxistest frühzeitig. Ein kritischer Faktor ist die Stabilität des Materials. Nicht jedes Material hält dem kontinuierlichen Stromfluss und der Wärmebelastung über mehrere Wochen und Monate stand. Problematisch kann auch der elektrische Kontakt mit den Metallen werden, die den Strom aus dem thermoelektrischen Modul abführen und zu Korrosionseffekten führen können. „Manche Entwicklungen, die für die Thermoelektrik nötig sind, erscheinen auf den ersten Blick einfach, sind aber in Wirklichkeit alles andere als das“, stellt Pacheco fest.

Ein bewährtes, aber kritisches Material

Die chemische Verbindung Bismuttellurid erfüllt alle Anforderungen. Viele heute im Testbetrieb laufende Anwendungen, vor allem in asiatischen Ländern, vertrauen noch immer auf die Zuverlässigkeit dieses Klassikers der Thermoelelektrik. Der Halbleiter wird seit mehr als 50 Jahren industriell routinemäßig hergestellt, doch er hat erhebliche Nachteile: Der Bestandteil Tellur gehört zu den sehr seltenen Elementen, seine Häufigkeit in der Erdkruste ist vergleichbar mit der von Gold. Und Tellur kommt nur in wenigen Lagerstätten vor. Das Halbmetall ist ein wertvolles Nebenprodukt bei der Gewinnung von Kupfer und Nickel und wird dabei aus den Resten der Erzverarbeitung gewonnen. Mehr als 70 Prozent der Produktion erfolgen in China, und der ostasiatische Staat setzt Tellur auch als Mittel der Wirtschaftspolitik ein. Seit Februar 2024 hat die chinesische Regierung den Export ins Ausland an strenge Bedingungen geknüpft und damit die Verfügbarkeit für andere Länder erschwert.

Daher suchen die Wissenschaftler nach Alternativen. Das Material der Zukunft für den massenhaften Einsatz soll leicht verfügbar und umweltfreundlich sein. „In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte erzielt“, berichtet de Boor. Sein Team erforscht ebenso wie die Dresdener Kollegen Materialien auf Magnesiumbasis, zum Beispiel Mischkristalle aus Magnesium, Silizium und Zinn, sowie den Einsatz sogenannter Zintl-Phasen aus Magnesium, Silber und Antimon. Zintl-Phasen sind eine besondere Form von intermetallischen Verbindungen, die der deutsche Chemiker Eduard Zintl in den 1930er-Jahren entdeckt hat. Sie haben besondere Eigenschaften, sind oft Halbleiter und ihre elektrischen Eigenschaften lassen sich durch die Zusammensetzung oder Dotierung mit Fremdstoffen gezielt einstellen. Zudem haben sie meist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, sodass das Temperaturgefälle zwischen kalter und warmer Seite länger bestehen bleibt. Daher eignen sie sich für den Einsatz in thermoelektrischen Modulen.

Wirkungsgrad im niedrigen Prozentbereich

„Wir haben beide Materialien kombiniert und unsere Prototypen können eine elektrische Leistung von etwa einem Watt pro Quadratzentimeter Fläche erzeugen“, berichtet de Boor. „Sie erreichen einen Wirkungsgrad von etwa sechs Prozent.“ Das sei besser als die drei bis vier Prozent bei den derzeit gebräuchlichen Modulen aus Bismuttellurid, die als Spezialentwicklungen aber auch sieben Prozent erreichen können. Die magnesiumbasierte Technologie hat noch einen Vorteil: Das Material liefert auch bei 500 Grad Celsius noch elektrischen Strom, Bismuttellurid hingegen hält so hohen Temperaturen nicht stand. Die Wissenschaftler haben inzwischen unterschiedliche Thermoelektrika entwickelt, die für den Einsatz innerhalb eines bestimmten Temperaturkorridors optimiert wurden. So arbeiten Bismutantimonide bei tiefen Temperaturen und Borcarbide sogar bis weit über 1.000 Grad Celsius.

Doch die Erzeugung der neuen Materialien ist eine Wissenschaft für sich. Damit die Rohmaterialien die gewünschte Struktur annehmen, werden sie gemeinsam in einer Kugelmühle zu Pulver gemahlen und dann etwa 20 Minuten lang bei 600 Grad Celsius und mehr in eine Tablettenform gepresst, aus der dann die Module gesägt werden. Im Labor gelingt es, bis zu einem Kilogramm der Magnesium-Materialien anzufertigen. Doch für größere Mengen muss der Herstellungsprozess überarbeitet werden, denn ein Teil des Magnesiums verdampft bei diesen Temperaturen oder geht unerwünschte Nebenreaktionen ein. Das hat Konsequenzen für die Module: Viele Zintl-Phasen reagieren empfindlich auf eine geringfügige Änderung der Zusammensetzung, wodurch die Leistung der Module schnell auf die Hälfte sinken kann.

Es gehört zur Stärke der Materialforschung, dass die Wissenschaftler eigene Messmethoden entwickeln, um schneller herauszufinden, welche Mischungen aus den Komponenten aussichtsreiche Thermoelektrika sind. In den Kölner DLR-Laboren sind viele Messgeräte Eigenentwicklungen. Das Team von Johannes de Boor kann zum Beispiel dünne Scheiben erzeugen, bei denen sich die Anteile von Magnesium, Silizium und Zinn unterscheiden. Die Analyse der einzelnen Areale erlaubt es dann, mit einer einzigen Messung Rückschlüsse auf das thermoelektrische Verhalten verschiedener Mischungen zu ziehen. „Das spart uns viel Zeit, weil wir weniger Proben herstellen müssen“, sagt de Boor.

Außerdem können die Kölner Forscher beobachten, wie sich die Zusammensetzung des Materials verändert, wenn es im Einsatz ist. Sie fanden heraus, dass einzelne Magnesium-Atome in dem Material zur Oberfläche wanderten und damit für den Ladungstransport nicht mehr verfügbar sind. Dadurch verschlechtern sich die thermoelektrischen Eigenschaften. Je besser sich die Alterungsprozesse der Materialien verfolgen lassen, desto schneller zeigen sich Anhaltspunkte, um sie zu unterdrücken.

Gleichzeitig verstehen die Forscher die Details der thermoelektrischen Effekte immer besser. Das überrascht, denn dass Temperaturunterschiede elektrische Spannungen erzeugen können, ist seit über 200 Jahren bekannt. Und der umgekehrte Effekt, das Kühlen durch elektrischen Strom, wird seit den 1960er-Jahren im großen Maß eingesetzt. Das beliebteste Material dafür ist das gleiche wie für die Wärme-Strom-Anwendung: Bismuttellurid. ■