Wie wird aus Wärme Elektrizität?

Eine Antwort auf diese Frage liegt in der sogenannten Thermoelektrizität. Erhalten Sie einen Einblick in diese faszinierende Art der Stromgewinnung am gemeinsamen Stand von Forschenden des Departementes für Physik der ETH Zürich und der EMPA.

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie lässt sich aber in verschiedene Formen umwandeln und speichern, so zum Beispiel als mechanische, chemische, nukleare und elektrische Energie. Am Ende dieser Umwandlungskette steht oft die Energieform «Wärme», z.B. als Abwärme aus Reibungsverlusten. Allerdings ist diese die am wenigsten verwertbare Art der Energiespeicherung. Sie wieder auf möglichst effiziente Weise in eine der vielseitigsten Formen der Energie, nämlich in elektrische Energie, umzuwandeln, ist eine der grossen Herausforderungen im Hinblick auf die Versorgungssicherheit unserer Gesellschaft.

Die Frage lautet daher: Wie können wir aus Wärme direkt, ohne mechanische Unterstützung, elektrische Energie gewinnen und dieses Verfahren in technisch sinnvoller Art ausnutzen? Seit dem 19. Jahrhundert ist der sogenannte «Thermoelektrische Effekt» bekannt. Hat ein metallischer Leiter an einem Ende eine andere Temperatur als am anderen Ende, fliesst ein elektrischer Strom. Dieser Effekt, der auf den ersten Blick sonderbar erscheint, gilt noch heute als die direkteste Art, um Wärme in Elektrizität umzuwandeln.

An ihrem gemeinsamen Scientifica-Stand erklären Forschungsteams des Departementes für Physik der ETH Zürich und der Forschungsanstalt EMPA, wie dieses Phänomen funktioniert. Besucherinnen und Besucher können hier das Prinzip der Thermoelektrizität selbst mit einfachen Mitteln testen.

Ein Vergleich mit der Elektrizitätsproduktion durch sogenannte Wärmekraftmaschinen (z.B. Stirling-Maschinen) zeigt Parallelen und Unterschiede auf und erlaubt auch die Vor- und Nachteile von thermoelektrischen Elementen (Thermoelektrika) hervorzuheben. Beide Methoden können sowohl zur Erzeugung von Elektrizität aus Wärme als auch umgekehrt zum Kühlen oder Heizen (Kühlschrank und Wärmepumpe) verwendet werden. Schon heute kommen Thermoelektrika an diversen Orten zum Einsatz. Um dieser Technologie aber zum breiten Durchbruch zu verhelfen, ist es notwendig deren Effizienz zu steigern und Funktionsbereich zu erweitern.

Die Forschungsteams der ETH Zürich und der EMPA suchen nach neuen Materialien und Materialstrukturen, um den «Thermoelektrischen Effekt» zu optimieren und neue Türen für weitere Anwendungen zu öffnen. Zu diesem Zweck ist es wichtig, das Verständnis der Physik und Chemie auf dem Gebiet der Thermoelektrika zu vertiefen und in noch unerforschte Bereiche zu lenken. Besonderes Augenmerk gilt dabei künstlich nanostrukturierten Materialien, Metallen mit sehr stark wechselwirkenden Elektronen und eventuell sogar magnetischen Metallen.

Beteiligte

Prof. Bertram Batlogg
Kristin Willa
Prof. Manfred Sigrist
Barbara Theiler
Prof. Anke Weidenkaf
Dr. Sascha Populoh
Oliver Brunko