Nutzung der Körperwärme zur Stromversorgung elektronischer Geräte

Wenn thermoelektrische Materialien minderwertige Wärme in Strom umwandeln können, müssen wir vielleicht nie wieder tragbare Technologien zu Hause aufladen.

Nachts schließen die meisten von uns ein Durcheinander von Kabeln und Geräten an, während wir unsere intelligenten Uhren, Telefone und Fitness-Tracker aufladen. Es ist ein Stapel, der wahrscheinlich nicht kleiner werden wird, da immer mehr tragbare Technologien in unser Leben eindringen. Hersteller und Zukunftsforscher sagen voraus, dass diese bald energieautark sein werden und dass wir von ihrem Chaos befreit sind. Aber die Frage bleibt: Wie? Im Moment sind die einzigen großen tragbaren Stromquellen Solarladegeräte, aber diese haben sowohl in Innenräumen als auch bei Dunkelheit erhebliche Einschränkungen.

Kedar Hippalgaonkar, Jianwei Xu und ihre Mitarbeiter vom A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) denken, dass sie bald minderwertige Abwärme – denken Sie an Autoabgase oder Körperwärme – zum Betreiben von Geräten nutzen könnten.

„Es wird eine enorme Menge an minderwertiger Abwärme in die Umwelt abgegeben“, sagt Hippalgaonkar. Die Umwandlung dieser Wärme in Strom ist eine große Chance, die man nicht verpassen sollte.

Hochtemperatur-Thermoelektrik-Generatoren sind bereits eine wichtige Energiequelle für Weltrauminstrumente. Der Mars-Rover, Curiosity, und die interstellare Raumsonde Voyager 2 nutzen die lang anhaltende nukleare Wärme. Letzteres läuft seit mehr als 40 Jahren mit dieser Art von Energie. „Die thermoelektrische Stromerzeugung ist keine neue Idee“, erklärt Hippalgaonkar. „Es wird seit den 1950er Jahren untersucht und es gab viel Forschung über neue Materialien, aber in der Vergangenheit konzentrierten sich die meisten Arbeiten auf toxische, anorganische Materialien und Anwendungen mit hohen Betriebstemperaturen.“

Hippalgaonkar stimmt zu, dass die Verbreitung von Internet of Things-Geräten nun eine Nachfrage nach ungiftigen, tragbaren Stromquellen mit sich bringt. Zukünftige Körpersensoren und tragbare Geräte könnten ständig getragen werden, wenn sie die Körperwärme nutzen, um energieautark zu sein. „Aber dazu müssen wir geeignete neue thermoelektrische Materialien entwickeln, die bei niedrigeren Temperaturen effizient, ungiftig und billig zu produzieren sind.“

Die andere große Chance sei es, die Abwärme, die durch die Motorabgase von Autos, Flugzeugen oder Schiffen austritt, zu nutzen. Der erzeugte Strom könnte dann wieder in das Fahrzeug zurückgeführt werden, was die Umweltbelastung verringert.

Das PHAROS-Projekt von A*STAR konzentriert sich auf die Materialien, die diese thermoelektrischen Generatoren ermöglichen. Das fünfjährige Projekt begann 2016 und zielt darauf ab, eine Materialzusammensetzung zu finden, die ungiftig und idealerweise erdreich (billig), effizient und einfach herzustellen ist. Dazu entwickeln sie weniger toxische Hybridmaterialien, die organische und anorganische Elemente kombinieren, und sie verfolgen diejenigen mit Potenzial für die thermoelektrische Niedertemperatur-Energieerzeugung.

Das Projekt bringt Hippalgaonkar, einen Festkörperphysiker und Experten für das Verhalten von Phonen, Photonen und Elektronen in nano- und 2-D-Materialien, und Jianwei Xu, einen Chemiker mit umfangreichem Forschungshintergrund in organischen Materialien, insbesondere halbleitenden Polymeren, zusammen.

Herunterdrehen der Wärme bei thermischer Leistung

Um persönliche Geräte mit thermoelektrischen Materialien aufzuladen, nutzt ein Generator den Seebeck-Effekt, bei dem eine Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung an der Verbindung zwischen zwei verschiedenen Materialien (oft, aber nicht ausschließlich p- und n-dotierte Halbleiter) erzeugt. Diese Spannung kann verwendet werden, um ein Gerät anzutreiben oder eine Batterie zu laden.

Bislang basieren die etabliertesten und erfolgreichsten thermoelektrischen Materialien auf Metall-Telluriden, darunter Bleistellurid und Wismut-Tellurid. Diese sind kommerziell erhältlich und wurden als Energiequelle im Weltraum genutzt, wo sie lokal Strom erzeugen können, um Satelliten und Raumsonden zu betreiben. Aber sie funktionieren nur bei hohen Temperaturen gut, und im Weltraum wird ein nukleares Isotop an Bord verwendet, um diese Wärme zu erzeugen und eine hohe Temperaturdifferenz zu erzeugen. Der Ansatz kann als langfristige, lokale Energiequelle dienen, aber aufgrund der potenziellen Gesundheitsrisiken der Kernstrahlung ist er für viele terrestrische Anwendungen nicht geeignet.

„Es mangelt an effizienten Materialien, die bei Raumtemperatur arbeiten, und genau das wollen wir mit dem PHAROS-Projekt erreichen“, sagt Xu. Es ist jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe, neue Kandidaten für thermoelektrische Materialien zu identifizieren, sie herzustellen und dann zu verstehen, was mit den Ladungsübertragungen in ihnen geschieht.

Bislang hat das PHAROS-Team eine Vielzahl von konjugierten halbleitenden Polymeren (wie Polyanilin, P3HT oder PEDOT:PSS) für die organische Komponente ihrer Hybride untersucht, die dann mit einer anorganischen Komponente aus beispielsweise Tellur-Nanodrähten, Silizium-Nanopartikeln oder 2D-Materialien wie MoS2, MoS2 kombiniert werden. Damit haben sie den Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Additiv untersucht.

Das Team hat auch das thermoelektrische Potenzial von Methylammonium-Bleiiodid-Perowskites1 untersucht, einem anorganisch-organischen Hybridmaterialsystem, das in den letzten Jahren nach seinem erfolgreichen Einsatz in Solarzellen bekannt geworden ist. Dieses Hybridmaterial konkurriert mit Silizium in Bezug auf den Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Der große Vorteil der Verwendung eines teilorganischen Systems besteht darin, dass es für die Lösungsverarbeitung geeignet ist, die großflächige, dünne, flexible Materialien herstellt, die kostengünstig im Tintenstrahldruck bedruckt werden können.

Damit ein thermoelektrisches Material jedoch gut funktionieren kann, muss es idealerweise einen großen Seebeck-Koeffizienten haben, der anzeigt, wie groß die erzeugte Spannung bei einer bestimmten Temperaturdifferenz ist. Und es ist auch wichtig, dass das Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, damit eine Ladung leicht fließen kann, zusammen mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, um den Temperaturgradienten zu unterstützen.

„Es ist sehr schwierig, diese Eigenschaften gleichzeitig zu erreichen“, sagt Hippalgaonkar. „Sie wollen idealerweise ein Material finden, das die geringe Wärmeleitfähigkeit von Holz mit der hohen elektrischen Leitfähigkeit eines Metalls kombiniert und das nicht einfach ist.“

Materialien mit einer perfekten Punktzahl

Um den Vergleich zwischen den Materialien zu erleichtern, wurde der so genannte „ZT-Wert“ entwickelt, der den Seebeck-Koeffizienten, die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und die Temperatur berücksichtigt. „Wir wollen wirklich etwas, das ein ZT von etwa 1 hat“, sagt Xu, obwohl eine so hohe ZT-Zahl für viele Anwendungen nicht notwendig ist. Derzeit kann eine 1 in Wismuttellurid und Bleitellurid erreicht werden, aber beide Materialien sind giftig, teuer in der Herstellung und starr.

Vor kurzem hat das PHAROS-Team ein sichereres Material entwickelt, das 10-20% des Weges zu einer perfekten thermoelektrischen Scorecard ausmacht. Dies geschah in Zusammenarbeit mit Forschern des US-amerikanischen Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) durch die Optimierung eines Materialsystems, das ein sorgfältig entwickeltes konjugiertes Polymer mit Tellur-Nanodrähten kombiniert. Erfreulicherweise wurden ZT-Werte von etwa 0,1-0,2 erreicht2.

Diese Entdeckung wurde von Shuo-Wang Yang vom Institute of High Performance Computing bei A*Star und seinem Team unterstützt, die dazu beitrugen, die Wechselwirkungen zwischen den organischen und anorganischen Bestandteilen von Materialien zu erklären, die das Team von Jeff Urban bei LBNL vorbereitet hatte. Mit experimentellen und theoretischen Arbeiten von Hippalgaonkars Team wurde die Physik der Ladungsflüsse in diesen komplexen Materialien erstmals detailliert und damit eine solide Grundlage für die zukünftige Entwicklung geschaffen.

„Die Schnittstelle zwischen der organischen und anorganischen Grenzfläche ist sehr wichtig für das Studium“, erklärt Hippalgaonkar. „Die Physik, wie sich Ladung durch eine so komplexe Landschaft bewegt, ist sehr schwierig zu verstehen.“

„Thermoelektrik wird Ihnen die Möglichkeit bieten, eigenversorgte Sensoren am schnellsten zu realisieren“, sagt Hippalgaonkar. Herzfrequenzmessgeräte zum Beispiel haben einen sehr geringen Leistungsbedarf in der Größenordnung von einigen hundert Mikrowatt. Ein Material mit einem ZT von 1, das bei Raumtemperatur mit einer Temperaturdifferenz von etwa 10˚C arbeitet, erzeugt etwa 50 Mikrowatt pro Quadratzentimeter, und theoretisch könnte das jüngste Material von PHAROS 10 Mikrowatt pro Quadratzentimeter erreichen. So ist die kleine, tragbare themoelektrische Energie bereits verlockend realitätsnah, sagt Hippalgaonkar. Und sobald das kommerzielle Versprechen ins Spiel kommt, wird sich ihre Arbeit nur noch beschleunigen.

Thermoelektrische Generatoren erklärt

Ein thermoelektrischer Generator (TEG) ist eine Vorrichtung, die eine Temperaturdifferenz in eine Spannung umwandelt und den Fluss des elektrischen Stroms um eine Schaltung herum steuert. Es ist ein Mittel zur Umwandlung von Abwärme in Strom. Solche Geräte funktionieren durch den Seebeck-Effekt, der 1821 vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckt wurde.

Ein TEG wird typischerweise unter Verwendung von p- und n-dotierten Halbleitern hergestellt, um zwei Pfade zu schaffen, die mit Metallelektroden unterschiedlicher Temperaturen verbunden sind, eine heiß, eine kalt. Der Seebeck-Effekt bedeutet, dass Löcher (positive elektrische Ladungsträger) in p-artigem Material und die Elektronen (negative Ladungsträger) in dem n-artigen Material von der heißen Elektrode zur kalten Elektrode diffundieren und so einen Spannungs- und Stromfluss erzeugen. Der Prozess kann auch umgekehrt betrieben werden, wenn er als Peltiereffekt bekannt ist und die Einspeisung eines elektrischen Stroms eine Abkühlung an der Materialverbindung bewirkt. Thermoelektrische Kühler, auch bekannt als Peltierkühler, werden häufig in kleinen Geräten eingesetzt, um die Temperatur von empfindlichen elektronischen und optoelektrischen Geräten wie Laserdioden und Photodetektoren zu regeln.

Mehr Informationen:
Tao Ye et al. Ultrahoher Seebeck-Koeffizient und geringe Wärmeleitfähigkeit eines zentimetergroßen Perowskit-Einkristalls, der mit einer modifizierten Schnellwachsmethode gewonnen wurde, Journal of Materials Chemistry C (2017). DOI: 10.1039/C6TC04594D

Polymermorphologie und Grenzflächenladungstransfer dominieren die energieabhängige Streuung in der organisch-anorganischen Hybrid-Thermoelektrik, online veröffentlicht am 8. Oktober 2018, arXiv:1810.03248: arxiv.org/abs/1810.03248

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Ein Gedanke zu „Nutzung der Körperwärme zur Stromversorgung elektronischer Geräte

  • 20 November 2018 um 09:16
    Permalink

    Das Hauptproblem aller bisherigen thermoelektrischen Materialforschungen besteht darin, dass:
    1.) es keinem Forscher gelungen ist ein Material oder ein Komposit zu erfinden, welches den Strom leitet, aber die Wärme speichert.
    2.) den ZT-Wert ab 3 zu erreichen überschreiten
    3.) auch wenn die beiden zuvor genannten Punkte erfunden und erreicht worden wären, die Spannung aber in solchen Materialien in Millivoltbereichen und die Amperewerte im 4- und 5 Stelligen Bereich liegen. ( Z. B. Material erreicht: 0,01 V bei 100.000 Ampere macht = ? Watt)
    4.) Es gibt aber eine Lösung durch ein leichtes austricksen der Naturgesetze.

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