ERC Starting Grant für Ran He

Thermoelektrik kann beides: Stromerzeugung und Temperaturregulierung

Der thermoelektrische Effekt ist seit über 200 Jahren bekannt und genutzt. Die Wirkungsweise ist herrlich einfach: Zwei ungleiche Temperaturniveaus erzeugen eine Spannung, die einen Stromfluss ermöglicht und umgekehrt. Ein thermoelektrischer Generator kann auf dieser Grundlage vergleichsweise unkompliziert Wärmeenergie in nachhaltige elektrische Energie umwandeln. Umgekehrt lässt sich der Effekt zur Temperaturregulierung nutzen. Damit birgt die thermoelektrische Technologie (TE) große Potentiale im Bereich der Kühlung und der Stromerzeugung für verschiedene Anwendungen. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, müssen Module entwickelt werden, die in einem gemäßigten Temperaturbereich von -70 bis 300˚Celsius effizient arbeiten. Derzeit basieren fast alle thermoelektrischen Materialien für handelsübliche Module auf Bismut-Tellurid (Bi2Te3), da diese eine bisher unerreichte Leistung von rund 6 Prozent aufweisen. Das Problem: Das Element Tellur ist eine extrem seltene Ressource. Mit einem Vorkommen von weniger als 0,001 Teilen pro Million (ppm) in der Erdkruste ist es der limitierende Faktor für die seit über einem halben Jahrhundert stagnierende Entwicklung der thermoelektrischen Technologie.

Neuer Ansatz: Mit Magnesium zu einer höheren Leistung

Mit dem ERC-Projekt TENTATION möchte Dr. Ran He vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden diesen Stillstand überwinden. Gefragt ist eine neue Herangehensweise verbunden mit dem nötigen Grundlagenwissen und den technischen Möglichkeiten. Innovative, verfügbare und nachhaltige Materialien sind erforderlich, die dennoch einen nennenswerten elektrischen Wirkungsgrad erreichen. Der Wissenschaftler He möchte dafür ein neuartiges TE-Modell entwickeln, dessen Grundlage nicht Tellur, sondern das reichlich vorhandene Element Magnesium ist. Das mit 1,5 Millionen Euro geförderte Projekt soll in den kommenden Jahren der Erforschung grundlegender Transporteigenschaften, der Entwicklung von innovativen Syntheseverfahren der neuen thermoelektrischen Materialien und der Optimierung von hochleistungsfähigen Modulen bei Raumtemperatur bis zur Bereitstellung von Demonstratoren dienen.

Die Wirkungsgrade der Thermoelektrik sind im Vergleich zu anderen Methoden der Energiegewinnung mit bisher maximal erreichten 6 Prozent gering. Die Vorteile der Technologie liegen in der Kombinationsmöglichkeit der Stromerzeugung und Kühlung, in der außerordentlichen Zuverlässigkeit der Bauelemente und der damit verbundenen Wartungsfreiheit. Und nicht zuletzt ist die Thermoelektrik eine absolut emissionsfreie Technologie. Es lohnt sich also, die Entwicklung hier nicht weiter stocken zu lassen. Ziel des Projektes ist es nun, durch die neuen Materialien den bisherigen Wirkungsgrad nicht nur zu erreichen, sondern deutlich zu übertreffen. „Ich strebe eine Umwandlungseffizienz von etwa 12 % im Temperaturbereich von 30 bis 300 °Celsius an,“ sagt Ran He und freut sich auf die kommenden Jahre. Er hat sich viel vorgenommen, aber wenn es ihm gelingt, dieses Projektziel tatsächlich zu erreichen, dann ebnet er damit den Weg für eine nachhaltige Energiegewinnung und Temperaturregulierung mit einem breiten Spektrum von Anwendungen nach einem langbekannten Prinzip.