Kraftwerke aus Graphen-Nanobändern

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Maschinen und Elektrogeräte erzeugen oft Abwärme, doch diese lässt sich nur schwer nutzen. Wenn man aus dieser Wärme Strom erzeugen könnte, hätte man eine nachhaltige Methode zur Energiegewinnung. Der Wissenschaftler Mickael L. Perrin erforscht diesen Ansatz mit Graphen-Nanobändern an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in der Schweiz.

Ideale Lösung für Wearables

Der Ansatz, aus Abwärme Strom zu erzeugen, wäre ideal für stromsparende Anwendungen wie tragbare Geräte für Medizin und Sport (Wearables) sowie für günstige Internet-of-Things-Geräte, etwa für das Smart Home oder die Mobilität. Wenn alles gut geht, könnte es dafür in den nächsten Jahren eine Lösung geben.

Das Problem mit dem Wirkungsgrad

Es gibt schon heute thermoelektrische Generatoren, die Strom durch die Nutzung von Temperaturunterschieden erzeugen. Ihr Wirkungsgrad ist allerdings gering. Für eine bessere Stromausbeute bräuchte es Materialien, die Strom sehr gut leiten, gleichzeitig aber eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben. Normalerweise sind das Anforderungen, die sich gegenseitig ausschließen.

Forscher in der ganzen Welt beschäftigen sich mit diesem Problem und konnten in den letzten Jahren herausfinden, wie sich die thermoelektrische Umwandlung deutlich verbessern lässt. Der Schlüssel ist die Nutzung von Quanteneffekten. Verwendet man beispielsweise Quantenpunkte, die als sehr selektive Energiefilter fungieren, steigt der Wirkungsgrad stark an und erreicht sogar die Grenzen des theoretisch Machbaren. Hinderlich dabei ist, dass die Quantenmaschinen dazu auf einige Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden müssen. Der Ansatz war also bisher nicht praxistauglich.

Die mögliche Lösung: Graphen-Nanobänder

Hier kommt die Arbeit von Mickael L. Perrin ins Spiel. Er ist Forscher an der Abteilung „Transport at Nanoscale Interfaces“ der Empa. Dort ist es gelungen, einen thermoelektrischen Generator zu entwickeln, der bei Raumtemperatur funktioniert. Mickael L. Perrin hatte die Idee, Graphen-Nanobänder zu nutzen, die in einer anderen Abteilung der Empa zum ersten Mal überhaupt synthetisiert wurden. Seit mehreren Jahren arbeiten die Forscher daran, aus diesen Nanobändern elektronische Geräte herzustellen.

Perrin wies in unterschiedlichen Graphen-Nanobändern die Eigenschaften von Quantenpunkten nach. Von diesen sind einige bis zu einer Temperatur von minus 123 Grad Celsius stabil, eine viel höhere Temperatur als bisher. Nach diesem Erfolg wollen die Forscher diese Graphen-Nanobänder nun in eine Quantenwärmekraftmaschine integrieren und diese bei Raumtemperatur zum Laufen bringen. Um dies zu erreichen, sind spezielle Herstellungstechniken und anschließend maßgeschneiderte Messsysteme nötig.

Wenn alles klappt, könnte Perrin in den nächsten Jahren ein winziges Kraftwerk auf einem Chip entwickeln. Dieses könnte Abwärme in Strom umwandeln und durch den umgekehrten Prozess auch effizient kühlen. Der Forscher erhielt für sein Projekt die angesehene Förderung „ERC Starting Grant“ der EU sowie eines von 32 Eccellenza-Förderungsstipendien des Schweizerischen Nationalfonds (SNF).

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