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Datenstand vom: 10.08.2017
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CD-Labor für Thermoelektrizität

Temperaturdifferenzen in Festkörpern können in elektrische Spannung umgewandelt werden. Daran knüpft sich die Hoffnung, Abwärme – zum Beispiel von Automotoren – sinnvoll nutzen zu können. Dieses Labor forscht an entsprechenden Materialien und Methoden.

Die Bewegung von Elektronen in Metallen hängt unter anderem von Temperaturunterschieden ab. Werden nun zwei verschiedene Metalle miteinander verbunden und auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten, so entsteht elektrische Spannung, und Strom kann über einen Verbraucher fließen. Auf diese Weise könnte Abwärme in elektrische Energie umgewandelt werden – zum Beispiel könnte die Bordelektronik von Autos mit Strom betrieben werden, der aus der Abwärme des Automotors gewonnen wird. Die wirtschaftliche Umsetzung dieser Idee scheitert bisher aber an geeigneten, Materialien mit ausreichender thermoelektrischer Leistungsfähigkeit.

Die Forschungsarbeiten dieses Labor setzen daher auf so genannte gefüllte Skutterudite. Dabei handelt es sich um Legierungen, die in verschiedenen Prozessschritten hergestellt werden und eine käfigartige Struktur aus Kobalt, Eisen und Antimon besitzen. In diese Nano-Käfige können weitere Atome platziert und dadurch die physikalischen Eigenschaften des Materials speziell angepasst werden. Abgesehen von der besseren thermoelektrischen Effizienz sind diese Skutterudite auch noch wesentlich kosten-günstiger als die gegenwärtig benutzen Systeme auf der Basis von Bismut und Tellur.

Wesentliches Forschungsziel ist es, die thermoelektrischen Eigenschaften von Skutteruditen zu verbessern, sowie deren Herstellungsprozesse zu optimieren. Die wichtigste Strategie dafür ist, im Material Strukturen und Inhomogenitäten im Nanometer-Bereich zu schaffen. Solche Nanostrukturen sind äußerst effektive Streuzentren für mittel- bis langwellige Phononen und führen daher zu einer signifikanten Abnahme der thermischen Leitfähigkeit – und folglich zu einer Verbesserung der thermo-elektrischen Effizienz. Weiteres Forschungsthema ist die systematische Suche nach neuen thermoelektrischen Materialien, die aus ungiftigen und in der Erdkruste reichlich vorhandenen Elementen aufgebaut sind.

Hochentwickelte Computerprogramme erlauben es beispielsweise, die elektronische Struktur solcher Materialen zu berechnen und ermöglichen im Weiteren gute Voraussagen über die realen physikalischen Eigenschaften dieser Stoffe. Auf diese Weise werden vielversprechende Materialien identifiziert, die in der Folge aufwändig hergestellt werden. Dazu werden die notwendigen Elemente zunächst im exakt richtigen Verhältnis gemischt und dann verschmolzen. Dies erfolgt in unterschiedlichen Anlagen („Öfen“), die etwa auf der Basis hochfrequenter Magnetfelder arbeiten. Ob der so erzeugte Stoff tatsächlich der gewünschte ist, wird mittels Röntgen-Methoden und Elektronenmikroskopie festgestellt. Danach werden jene Parameter experimentell bestimmt, die für die thermoelektrische Leistungsfähigkeit des Materials entscheidend sind; darunter befinden sich der elektrische Widerstand, der Seebeckeffekt und die thermische Leitfähigkeit. In einem abschließenden Schritt geht es um die Verbesserung dieser Eigenschaften, wobei sich z.B., die Arbeit an der Nanostrukturierung dieser Materialien mittels eines High-Pressure-Torsion-Gerätes als bisher erfolgversprechendster Weg erwiesen hat.

Leitung

Univ.Prof. Dr. Ernst Bauer

Technische Universität Wien

Institut für Festkörperphysik

Wiedner Hauptstraße 8-10

1040 Wien

T: +43 1 58801-13160

bauer(at)ifp.tuwien.ac.at

Details

Laufzeit: 01.07.2013 - 30.06.2020

Unternehmenspartner:

AVL List GmbH, Treibacher Industrie AG

Thematischer Cluster:

Matallurgy