Wiener Forscher lüften Geheimnis um Rekord-Thermoelektrikum

30. Juni 2015, 13:44
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Eisen-Antimonid kann Temperatur- und Spannungsunterschiede ineinander umwandeln. Forscher der TU Wien konnten nun die Ursache dafür klären

Wien – Sogenannte Thermoelektrika können Temperaturunterschiede direkt in elektrischen Strom umwandeln. Diese Materialien gelten daher als eine der großen Energiehoffnungen für die Zukunft. Bei Eisen-Antimonid funktioniert dieser Prozess besonders gut. Warum das so ist, haben Wissenschafter der Technischen Universität (TU) Wien kürzlich im Fachjournal "Physical Review Letters" anhand von Berechnungen geklärt.

Eisen-Antimonid (FeSb2) ist nach Angaben der Forscher Weltrekordhalter unter den Thermoelektrika: In keinem anderen Material ist die Kopplung von Elektrizität und Temperaturunterschieden so stark. Warum, war bisher ein Rätsel. Denn nach bisherigen Theorien über Thermoelektrizität müsste der Effekt eigentlich viel geringer sein.

Zusätzliches Eisenatom

Mit quantenphysikalischen Computersimulationen haben die Wissenschafter um Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien das Material nun analysiert. Sie zeigten dabei, dass die hohe Thermopower von Eisen-Antimonid einerseits an kleinen Unregelmäßigkeiten im Material liegt, etwa an zusätzlichen Eisenatomen.

Durch diese entstehen neue Energie-Zustände in dem Material, was dazu führt, dass sich mehr Elektronen frei bewegen können und Strom fließen kann. Ein weiterer Grund für die guten thermoelektrischen Eigenschaften des Materials liegt in kollektiven Schwingungen der Atome, die die Elektronen mit sich reißen.

Günstiger Kühleffekt

Für die Rückgewinnung von Energie aus Abwärme eignet sich Eisen-Antimonid nicht besonders gut, da es seine höchste Thermopower bei sehr niedrigen Temperaturen (minus 253 Grad Celsius) erreicht. "Nachdem wir den Mechanismus nun verstanden haben, hoffen wir, auch in anderen Materialien ähnlich hohe Thermopower zu bekommen", so Held.

Der thermoelektrische Effekt funktioniert grundsätzlich aber auch umgekehrt: Mit dem geeigneten Material kann man durch elektrischen Strom Temperaturunterschiede erzeugen und somit kühlen – ganz ohne Kühlflüssigkeit und Pumpen. Dafür würde sich Eisen-Antimonid gut eignen, so der Forscher. (APA, red, 30.6.2015)

  • Ein zusätzliches Eisenatom (unten rechts) ändert die Eigenschaften des Materials.
    foto: tu wien

    Ein zusätzliches Eisenatom (unten rechts) ändert die Eigenschaften des Materials.

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