Ein "Stimmgabel-Sensor" funktioniert als akustischer Resonator

Symbolbild für den Einsatz bei Sensoren

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Science
11/13/2019

TU-Forscher entdecken Material, das aus Wärme Elektrizität erzeugt

Forscher der TU Wien haben ein Material entdeckt, das künftig bei Sensoren und kleinen Prozessoren zum Einsatz kommen könnte.

Ein neues, thermoelektrisches Material ist so effektiv bei der Umwandlung von Wärme in Elektrizität, dass man es in Zukunft verwenden könnte, um Sensoren oder auch kleine Computerprozessoren mit Energie zu versorgen. Anstatt kleine elektrische Geräte an Kabeln anzuschließen, könnten diese ihren eigenen Strom aus Temperaturdifferenzen generieren. Das haben Forscher an der TU Wien herausgefunden und im Fachjournal „Nature“ erstmals präsentiert.

Das Umwandeln von Wärme in Elektrizität funktioniert dabei Folgendermaßen: Wenn zwischen den beiden Enden eines Materials ein Temperaturunterschied besteht, wird elektrische Spannung generiert und damit kann Strom fließen. Um zu messen, wie viel Energie gewonnen werden kann, braucht man den sogenannten ZT-Wert: Je höher dieser ist, umso besser sind die thermoelektrischen Eigenschaften.

Hoher ZT-Wert

An der TU Wien gelang es nun, ein völlig neues Material zu entwickeln, mit einem ZT-Wert von 5 bis 6. Es handelt sich dabei um eine dünne Schicht aus Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium, aufgetragen auf einem Silizium-Kristall. Zum Vergleich: Die bisher besten ZT-Werte lagen bei 2,5 bis 2,8.

Am Christian-Doppler-Labor für Thermoelektrizität, das Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik an der TU Wien eröffnete, wurde in den vergangenen Jahren intensiv an unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien für unterschiedliche Einsatzzwecke gearbeitet. Und dabei stieß man nun auf ein ganz besonders bemerkenswertes Material.

So funktioniert es

„Die Atome in diesem Material sind normalerweise streng regelmäßig angeordnet, in einem sogenannten flächenzentrierten kubischen Gitter“, sagt Bauer. „Der Abstand zwischen zwei Eisenatomen ist immer gleich groß, dasselbe gilt für die anderen Atomsorten. Der ganze Kristall ist daher völlig regelmäßig aufgebaut.“ Wenn man das Material allerdings als dünne Schicht auf Silizium aufträgt, passiert etwas Erstaunliches: Die Struktur verändert sich radikal.

Zwar bilden die Atome auch auf Silizium immer noch ein kubisches Muster, allerdings mit raumzentrierter Anordnung. Daher ist die Verteilung der unterschiedlichen Atomsorten nun völlig zufällig. „Da können zwei Eisenatome nebeneinandersitzen, die Plätze daneben sind von Vanadium oder Aluminium besetzt, und es gibt keine Regel mehr, die vorschreibt, an welchen Orten im Kristall wieder das nächste Eisenatom zu finden ist“, erklärt Bauer.

Durch diese Mischung aus Regelmäßigkeit und Unregelmäßigkeit der Atomanordnung verändert sich auch die elektronische Struktur und dieser Effekt kommt dem neuen Material nun zugute.

Sensoren mit Energie versorgen

„Wir wollen damit eine Energieversorgung für Sensoren und kleine elektronische Anwendungen ermöglichen“, beschreibt Bauer die Anwendungszwecke des neuartigen Materials. „Wenn man in einer Fabrik eine große Anzahl an Sensoren benötigt, kann man die nicht alle verkabeln, das würde irgendwann ein unüberschaubares Chaos ergeben“, meint Bauer.

„Viel klüger ist es, wenn sich die Sensoren ganz von selbst mit Energie versorgen, etwa über ein kleines, effizientes thermoelektrisches Element, dass die Abwärme einer Maschine nutzt. Damit kann auch gleich ein kleiner Prozessor betrieben werden, der die Daten auswertet und dann per WLAN zur zentralen Steuereinheit schickt.“

Zwei Patente angemeldet

Das thermoelektrische Material kann dafür die Basis bieten. Die weiteren Forschungsarbeiten finden im Rahmen des Christian-Doppler-Labors für Thermoelektrizität an der TU Wien statt. Unternehmenspartner ist die Firma AVL Graz, wissenschaftliche Partner das „National Institute of Material Science, NIMS“, Japan und der „Chinese Academy of Sciences“, China. Gemeinsam mit dem Unternehmenspartner wurden auch bereits zwei Patente eingereicht – mit Unterstützung der Forschungs- und Transfersupports der TU Wien.