„Nanostrukturierte luftstabile Thermoelektrika: Von der kontrollierten Synthese zum Bauteil“ – für eine Nachwuchsgruppe zu diesem Thema erhält die Uni Duisburg-Essen Fördergelder vom NRW-Innovationsministerium. Besonders gut aufgestellt ist die Uni deswegen, weil sie als eine der wenigen Einrichtungen weltweit über eine Technik verfügt, mit der sich Nanomaterialien in großem Maßstab herstellen lassen – eine Voraussetzung für die Massenproduktion.

„Das Thema habe ich auf der Grundlage von Gesprächen mit der Industrie formuliert“, erklärt Gabi Schierning, Nanowissenschaftlerin an der Uni Duisburg und Leiterin der Nachwuchsgruppe. „ Wir waren mit einem Exponat, einem thermoelektrischen Generator, auf der Hannover Messe. Viele Firmenvertreter, die dort an unseren Stand kamen, haben großes Interesse an unserer Arbeit geäußert.“ Ziel der Nachwuchsgruppe ist es, einen geeigneten Werkstoff für Thermogeneratoren zu entwickeln. Als theoretisches Konzept ist seit den neunziger Jahren bekannt, dass Nanostrukturierung die Effizienz von Thermogeneratoren verbessern kann. Nur zur Anwendungsreife, das heißt bis zur Serienproduktion, konnte dies bisher nicht gebracht werden. Was fehlt, ist ein kostengünstiges Material mit ausreichender Effizienz.
 
Was nützen Thermogeneratoren?

Ob aus Fenstern gut geheizter Wohnungen, aus dem Autoauspuff oder aus Industrieanlagen – überall wird Wärme einfach in die Luft gepustet. Was wäre, wenn sich diese Wärme abfangen und weiternutzen ließe? Im Auto könnte beispielsweise ein kleiner Thermogenerator aus den Abgasen Wärme aufnehmen und in elektrische Energie verwandeln. Diese würde dann ins Bordnetz eingespeist. Die Energie für das Bordnetz, also für die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten im Auto, wird gegenwärtig über Sprit erzeugt. Käme so ein Thermogenerator hinzu, könnte er einen Teil der Energie generieren – was wiederum den Spritverbrauch senken würde. „Mit gegenwärtigen Generatoren ließe sich drei Prozent der Energie erzeugen“, erklärt Schierning, „effizient wird das aber frühestens ab zehn Prozent.“ Nichtsdestotrotz ist die Technologie natürlich für die Autobauer und auch für Kraftwerksbetreiber von hohem Interesse: „Die verfolgen genau, was wir tun.“ Warum entwickelt die Industrie das nicht selbst? „Es gibt Gruppen, die daran arbeiten – aber im Wesentlichen wartet die Wirtschaft auf einen Durchbruch in der Forschung.“ Die Technologie befindet sich sozusagen unmittelbar an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und Anwendung.

Hauptproblem ist die Materialfrage

Am besten funktionieren derzeitige Thermogeneratoren mit Tellur-haltigen Verbindungen, einem Element, das extrem selten und sehr teuer ist. Deswegen wird nach Alternativen gesucht. „Das Material muss mehrere Funktionen erfüllen: Es muss Temperaturgradienten in elektrische Spannung umwandeln können, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine niedrige Wärmeleitfähigkeit haben,“ erläutert Schierning. „Das sind gegensätzliche Anforderungen. Leider ist es häufig so, dass, wenn ein Koeffizient sich verbessert, die anderen dafür schlechter werden. Da im Moment nicht klar ist, welches Materialsystem sich am besten für die Anwendung optimieren lässt, experimentieren wir mit verschiedenen Materialien gleichzeitig.“ Aus diesem Grund wird das Thema nicht nur in der Nachwuchsforschungsgruppe, sondern parallel auch in einem anderen Forschungsprojekt bearbeitet: „Wandlung von Abwärme in elektrische Energie: Entwicklung und Herstellung eines thermoelektrischen Generators aus nanokristallinem Silizium unter Berücksichtigung ökologischer Gesichtspunkte" – so der Titel des Kooperationsprojekts zwischen Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA), der Uni Duisburg-Essen und der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt (SLV). Gefördert wird das Projekt von der Aif – Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. Ist es schwierig, Nachwuchskräfte in diesem Bereich zu finden? Nein, meint Schierning: „Viele Doktoranden ziehen eine innere Motivation daraus, sich für Erneuerbare Energien einzusetzen.“

Deutschlandweit einzigartig: CeNIDE

CeNIDE koordiniert die Forschung im Bereich Nanotechnologie an der UDE. Mitglieder des Netzwerks sind über 200 Forscher aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften. Zu den Anwendungsgebieten gehören die Materialwissenschaften, die Medizin und die Energietechnik. Struktureller Forschungsschwerpunkt von CeNIDE sind Verfahren, die die Herstellung von Nanopulver ermöglichen, das heißt die Herstellung von Nanopartikeln in größeren Mengen sowie auch die sich anschließenden Prozessschritte der Weiterverarbeitung. Über diese Technologie verfügen weltweit nur wenige Forschungseinrichtungen – in Deutschland ist sie einzigartig.

Die besonderen Eigenschaften von Nanopartikeln entstehen erst durch die Reduzierung eines Stoffes auf Nanogröße. Das heißt, kleinste Bruchteile eines Materials reagieren anders auf äußere Einflüsse als große Mengen desselben Materials. Warum? Weil sie quasi nur noch aus Oberfläche bestehen. Wenn die Nano-Teilchen wieder zu einem makroskopischen Bauteil zusammengesetzt werden, muss darauf geachtet werden, dass ihre besonderen elektrischen und mechanischen Qualitäten erhalten bleiben. Diesen Prozess beherrschen unter anderem die Forscher von CeNIDE. „In der Forschung werden viele Synthesen diskutiert, bei denen mehrere Mikrogramm erzeugt werden. Bei CeNIDE können jedoch mehrere Gramm bis hin zu Kilogramm der spezifischen Nanopartikel hergestellt werden,“ so Schierning, „das ist weltweit sehr selten.“

Kontakt:
Dr. Gabi Schierning
Tel: 0203-3793296
E-Mail: gabi.schierning@uni-due.de